[发明专利]一种复合石榴石化合物掺镱硅铝酸钇锰

说明书

技术领域

本发明属于光电子功能材料技术领域，特别是涉及作为激光和飞秒激光材料。

背景技术

飞秒激光器是激光领域内重要的技术设备和激光光源，直接应用于精细加工和激光通讯，同时在医学、核物理、飞秒脉冲光谱学和高速光通信等领域有着重要的应用。飞秒激光具有独特的超短脉冲、超强特性，是当今激光前沿技术发展的重要方向，飞秒激光材料作为产生飞秒激光的核心工作物质，已经成为整个激光技术领域发展的热点之一。

以钇铝石榴石(Y₃Al₅O₁₂)为代表的石榴石材料具有各向同性、高热导率、高光学质量、优异的机械强度和物化性能等特点，经过近50年的研究和发展，掺镱钇铝石榴石(Yb:Y₃Al₅O₁₂)在1微米附近激光输出方面已经成为十分重要的激光材料和飞秒激光材料。SadaoUemura等人采用克尔透镜锁模技术，以掺镱钇铝石榴石晶体作为增益介质成功获得了脉宽为35fs输出功率为107mW的脉冲激光；魏志义等人采用半导体可饱和吸收锁模技术，以掺镱钇铝石榴石透明陶瓷作为增益介质同样成功获得了脉宽为418fs输出功率为1.9W的脉冲激光。J.AusderAu等人在2000年以掺镱钇铝石榴石晶体作为增益介质首次采用了薄盘锁模激光技术，获得了脉宽为730fs输出功率高达16.2W的脉冲激光。由于该激光技术可以有效的解决激光媒介的散热问题，可获得的飞秒激光输出功率得到了不断的提升，因此，薄盘锁模技术揭开了中高功率飞秒激光输出的新篇章。2014年德国科学家W.Schneider等人以掺镱钇铝石榴石晶体作为增益介质，成功将输出功率提高到100W以上，脉冲宽度为800fs，至此，掺镱钇铝石榴石在薄盘锁模激光技术上得到了最大限度和最为广泛的应用。然而，其获得的脉冲宽度却被限制在了700-800fs左右，原因在于掺镱钇铝石榴石在1030nm附近发射峰的半峰宽仅仅只有9nm。众所周知，越宽的发射谱带越有利于获得更短的脉冲激光，而对于掺镱钇铝石榴石来讲，尖锐的发射峰是它成为理想的中高功率飞秒激光材料的致命缺陷。

无序结构是指晶体中某些格位同时被多种原子占据，这种结构在长程范围内有序，但部分格位点是无序的。当激活离子掺入具有无序结构的基质晶体中后，如果所替代原子的格位是无序的，则会出现多个发光中心并产生迭加效应，从而导致其吸收和发射谱带展宽。因此，将结构分析与光谱和激光性能相结合，针对掺镱钇铝石榴石通过设计和构造无序结构来展宽其掺Yb³⁺后的吸收和发射谱带，从而有望缩短以其作为增益介质所获得的激光脉宽。

锰铝石榴石[Mn₃Al₂(SiO₄)₃]是一种天然石榴石，它同样具有高热导率、优异的机械强度和物化性能。由于它和钇铝石榴石同属石榴石结构，特征离子(Y³⁺和Mn²⁺；4配位Al³⁺和Si⁴⁺)之间离子半径十分接近，因此在钇铝石榴石中掺入适量锰铝石榴石后可形成一种复合石榴石。且该复合石榴石中出现了金属阳离子Y³⁺和Mn²⁺之间的统计分布，即形成了具有无序结构的复合石榴石，当激活离子Yb³⁺掺入后，会同时占据Y³⁺和Mn²⁺的位置，出现多个发光中心，从而展宽其光谱带宽。展宽后的吸收谱带将更适合激光二极管直接泵浦，而展宽后的发射谱带将有利于输出更短脉宽的飞秒激光。

发明内容

本发明的目的在于公开一种复合石榴石化合物掺镱硅铝酸钇锰，其化学式为Yb_xY_3-x-yMn_yAl_5-ySi_yO₁₂，Yb掺杂含量为0<x≤1.5，Mn和Si的掺杂含量均为0<y≤1.5，其相比较掺镱钇铝石榴石具有更宽的吸收和发射带宽，更加适合激光二极管泵浦，并有利于获得更短脉宽的中高功率飞秒激光。

本发明的技术方案如下：

具体化学方程式为：