[发明专利]一种掺镱晶体及其生长方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种掺镱晶体及其生长方法和应用，属于晶体生长和激光技术领域。

背景技术

近年来，可见光激光器因其在在环境、医疗、军事等领域的重要应用受到越来越多人们的关注。

目前，要获得可见激光，主要是利用掺Nd³⁺和Yb³⁺等离子的激光晶体产生0.9μm、1.06μm、1.3μm波段的激光，再通过KTP等非线性光学晶体进行倍频产生。将激光晶体和KTP晶体通过光胶结合到一起，并在晶体的表面和胶合面镀膜形成激光振荡获得高效率绿光输出，已经实现了商品化。但是，这种同时使用激光工作介质和倍频介质两种晶体材料的激光器在结构上较为复杂，制作工艺步骤多，成本难以简化。

如果能将激光发射与非线性倍频这两种光功能合二为一，则可使生产成本大大降低，同时有利于激光器结构的简化和体积的减小，这种材料人们称为自倍频晶体。多年来，人们一直在探索自倍频晶体，掺镱离子的自倍频晶体因其没有另外的4f电子态，因此不存在上转换和其他高激发态的吸收，且能够实现从950-1100nm较宽的发射谱线，是获得更多波长可见激光的一个重要途径。历史上先后有Yb:MgO:LiNbO₃、Yb:YCOB、Yb:GdCOB、Yb:YAB等实现了自倍频绿光输出。这些晶体都存在不同的显著缺陷，其中Yb:MgO:LiNbO₃的抗光伤阈值较低且具有光折变效应，Yb:YCOB和Yb:GdCOB的激光受激发射截面较小，虽然实现了自倍频绿光输出但目前没有输出功率的报道，而Yb:YAB晶体为非同成分熔融化合物，只能采用高温熔体法生长单晶，生长周期长，难以获得大尺寸高质量晶体，难以满足批量化生产需求。因此，目前能够实际应用的自倍频晶体仍十分有限，探索新的优秀材料一直是晶体材料研究者的不懈追求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种掺镱晶体；

本发明还提供了上述掺镱晶体的生长方法及应用。

本发明的技术方案为：

一种掺镱晶体，所述掺镱晶体的分子式为Ca_3-3xYb_3xRGa₃Si₂O₁₄，R为Nb离子或Ta离子，Yb离子的掺杂浓度为0.1–50at.％，x的取值范围为0.001-0.5。

硅酸镓铌钙晶体属于A₃BC₃D₂O₁₄构型，该结构中有A、B、C、D四个阳离子格位，掺入的Yb离子取代钙离子占据A位置，x为掺入Yb离子的原子百分比,晶体中A位置出现一定数量的空位使Yb离子取代Ca离子产生的电荷差保持平衡。

Yb离子的掺杂浓度为0.1–50at.％(原子百分比)，根据Yb离子的掺杂浓度可以推算出分子式Ca_3-3xYb_3xNbGa₃Si₂O₁₄中x的取值，根据晶体掺杂的定义，以掺杂浓度为5at.％为例：Yb离子占据Ca₃NbGa₃Si₂O₁₄晶体(CNGS晶体)中Ca离子格位，掺入CNGS晶体的Yb离子原子数百分比为5at.％时，即每一百个Ca离子中有5个被Yb离子取代。掺入Yb离子为3*0.05＝0.15，此时Ca离子为3-3*0.05＝2.85，此时分子式为Ca_2.85Yb_0.15NbGa₃Si₂O₁₄中x的取值为0.05。

同理，Yb离子的掺杂浓度为0.1–50at.％(原子百分比)，可推知x的取值范围为0.001-0.5。

上述推导过程参见以下参考文献：张晓彤，Nd:CNGS晶体生长及性质研究，山东大学硕士学位论文，2015，P-17.

上述掺镱晶体同时具有激光发射和非线性光学效应，是一类性能优良的自倍频激光晶体。与激光晶体、非线性光学晶体两者组合而成的激光器相比，由上述掺镱晶体制成的自倍频绿光激光器体积更小，结构更加紧凑，生产成本大大降低，同时也简化了加工和装配环节，提高了生产效率。

根据本发明优选的，镱离子的掺杂浓度为0.5–15at.％，x的取值范围为0.005-0.15。