[发明专利]一种高效中红外激光晶体Er,Pr:YSAG及其制备和实现中红外激光输出的方法

说明书

本发明公开了一种高效中红外激光晶体Er,Pr:YSAG及其制备和实现中红外激光输出的方法，该方法以对称性高的含钪石榴石晶体材料钇钪铝石榴石单晶为基质，以Er³⁺作为激活离子，通过在晶体中掺杂Pr³⁺离子，从而有效抽空Er³⁺离子的2.6‑3.0μm激光下能级⁴I_13/2的粒子数，降低该能级的荧光寿命，减少激光阈值、提高激光输出效率和功率。本发明采用半导体激光器对晶体进行泵浦从而实现2.6‑3.0μm波段的激光输出，在激光医疗、科学研究及军事等领域有着重要的应用前景。目前，采用InGaAs LD激光器为泵浦源，泵浦Er,Pr:YSAG晶体实现了波长位于2.694和2.825μm的双波长中红外激光输出。

技术领域

本发明涉及激光材料和固体激光器领域，具体为一种高效中红外激光晶体Er,Pr:YSAG及其制备和实现中红外激光输出的方法。

背景技术

2.6-3.0μm波段的中红外激光，与水的强吸收峰重叠，由于水对它的吸收率特别高，用于切割含水量较高的人体组织时，穿越深度仅约1μm，热损伤范围较小，是精细外科手术理想的工作波段。此外，该波段激光还可用作光参量振荡的泵浦源，实现3-15μm的中远红外激光输出，在环境污染检测、光电对抗及防空等领域有着重要的应用。

目前，实现2.6-3.0μm波段激光的方法主要有半导体量子级联激光技术、非线性光学变频技术及Ho³⁺、Er³⁺、Tm³⁺等稀土离子受激辐射直接产生。然而，通过半导体量子级联激光技术产生的激光输出功率较低，成本极高，通常具有相对较宽的波长带宽和高度的像散，在较高输出功率时，其输出激光的相干性不够理想，且发散角比较大，制约了其在诸如遥感等有高光束质量需求领域的应用；非线性光学变频技术通常系统结构复杂，且性价比偏低，这也限制了它的应用范围和领域；而Ho³⁺、Er³⁺、Tm³⁺等稀土离子辐射直接产生该波段激光具有结构简单紧凑、稳定可靠等特点，是实现该波段激光输出的有效途径。铒离子是一种重要的稀土离子，在不同的基质材料中，它的⁴I_11/2→⁴I_13/2能级跃迁可产生2.6-3.0μm波段的激光输出。

在过去几十年中，由于缺少合适的泵浦源，固体可见激光器发展缓慢。近年来，随着半导体激光技术的飞速发展，近红外激光二极管 (LD)出现了长足的发展趋势，功率已达到百瓦级，价格也大幅下降，这为用LD直接泵浦激光晶体产生中红外激光提供了新的可行途径，引发了半导体激光泵浦的中红外激光晶体的研究热潮。石榴石系列晶体由于其高对称性、高化学稳定性、高热导率性能以及在熔融状态下可生长出大尺寸和均匀的单晶体而吸引了广大科研工作者的关注。钇钪铝石榴石晶体(YSAG)晶体，结合了YAG和YSGG优点的晶体，采用Al离子替换了Ga离子，消除了Ga离子易挥发的隐患，更容易生长出高质量、均匀和大尺寸的晶体。

上世纪七八十年代，由于当时Sc₂O₃原料非常昂贵，从而限制了钆钪石榴石晶体的研究和发展。近年来，随着应用需求和提取技术的发展，Sc₂O₃的价格有了较大幅度的降低。近年来，国外含钪石榴石的研究又重新兴起，尽管如此，据调研显示，目前，国内外都还没有关于Er³⁺,Pr³⁺:Y_2.8Sc₁Al_4.2O₁₂激光晶体制备及实现中红外激光输出方面的报道。

发明内容