[发明专利]一种管状梯度浓度掺杂钇铝石榴石激光晶体及其制备方法

说明书

本发明公开了一种管状梯度浓度掺杂钇铝石榴石激光晶体及其制备方法，所述激光晶体由n(n为≥2的整数)层同轴心不同掺杂浓度钇铝石榴石晶体圆管组成；制备步骤包括根据激光晶体中钇铝石榴石晶体圆管的层数n和尺寸，设计制作相匹配的坩埚、模具和盖板；制备生长原料、制作籽晶、装炉和生长晶体。本发明优点在于能够实现掺杂浓度沿管壁厚度方向上的按需调控，可以提高吸收功率密度、产生热耗和温度分布的均匀性，大幅降低晶体热效应，实现更高光束质量的激光输出，可为高功率高光束质量固体激光的发展提供优良的激光工作物质。

技术领域

本发明涉及激光材料和人工晶体生长技术领域，具体涉及一种管状梯度浓度掺杂钇铝石榴石激光晶体及其制备方法。

背景技术

钇铝石榴石(YAG)激光晶体是目前综合性能最优的激光工作物质，YAG 固体激光器在先进制造、科学研究、医疗和国防等诸多领域获得了越来越广泛的应用。随着科技的发展，各领域对YAG固体激光器的输出功率和光束质量也提出了越来越高的要求。但在激光运转过程中，作为固体激光器核心元件的激光晶体中存在热效应，限制了其输出功率和光束质量的提高。为解决这一问题，人们从不同技术工艺方面进行了广泛研究。在激光晶体几何构型方面，由传统的棒状介质，发展了板状、薄片和管状介质，以提高激光晶体的散热面积，在一定程度上降低了晶体的热效应。其中，管状激光晶体能够通过管内、外壁同时冷却激光介质，热效应相对较小，是发展高功率高光束质量固体激光的重要途径之一。

人们还探索了提高泵浦源激光波长与激光晶体吸收匹配，降低晶体吸收带之外无用光的进入；采用光学补偿的方式减小热效应影响；研制热特性更好的激光晶体等改善晶体热效应的技术途径，并取得了较好效果。但上述方法仍不能解决激光晶体热效应产生的关键因素：传统激光晶体整体掺杂浓度单一，各位置吸收率相同，而泵浦光功率沿着激光抽运即管壁厚度方向上呈指数衰减，这导致晶体吸收功率密度不同。晶体吸收功率密度越高，该位置产生的热量越多，而冷却系统只能通过晶体表面进行冷却，因而在晶体内会产生一定的温度梯度，引起热应力双折射、热透镜效应等，在高功率泵浦下，甚至导致晶体破裂，这限制了激光光束质量和输出功率的进一步提高。

发展管状梯度浓度掺杂YAG激光晶体，实现掺杂浓度沿管壁厚度方向上的按需调控，可以提高激光晶体的吸收功率密度、产生热耗和温度分布的均匀性，有望大幅降低晶体热效应，实现更高光束质量的激光输出。然而，目前管状YAG激光晶体基本都是采用光学加工的方法从晶体毛坯中直接取出，整个管状介质均为掺杂浓度单一的激光晶体，无法实现梯度浓度掺杂管状激光晶体的制备。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，设计一种可以实现导模法生长管状梯度浓度掺杂钇铝石榴石激光晶体的坩埚和模具，并提供一种可生长大尺寸、高质量管状梯度浓度掺杂激光晶体的导模法制备方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种管状梯度浓度掺杂钇铝石榴石激光晶体，所述激光晶体由n(n为≥2的整数)层同轴心钇铝石榴石晶体圆管组成，每层钇铝石榴石晶体的化学表达式为Nd_3xY_3(1-x)Al₅O₁₂，或者Nd_3xCr_3yY_3(1-x-y)Al₅O₁₂，或者Nd_3xCe_3zY_3(1-x-z)Al₅O₁₂，或者Yb_3αY_3(1-α)Al₅O₁₂，其中0≤x＜0.1，0≤y＜0.1，0≤z＜0.1，0≤α＜ 0.5，且x、y、z和α的值由内到外逐层增大或逐层减小。

进一步改进在于，所述激光晶体的每层厚度为0.2-30mm，且激光晶体最大长度为1500mm。