[发明专利]掺钕、铽和铈的钇铝石榴石激光晶体及其制备技术

说明书

本发明涉及一种新的激光晶体，具体地说，是掺钕、铽和铈的激光晶体[（Nd，Tb，Ce）：YAG]。还涉及这种晶体的制备技术，其中包括晶体生长、退火和加工技术，特别是涉及这种晶体的引上生长技术。本发明的（Nd，Tb，Ce）：YAG晶体可以作为固体激光器的激光工作物质，也可作为荧光材料，窗口材料或其它一些光学元件的材料。

由于Nd：YAG具有优良的物化特性，而且价格低廉，它现在仍然是固体激光器领域内应用最多和最普遍的激光晶体^[1]。但Nd：YAG也有不令人满意之处，其最大缺点是激光效率不够高和阈值不够低。这些缺点使它在风冷条件下的应用受到很大限制。多年来人们一直在为提高其效率而努力。提高Nd：YAG激光效率的一个有效途径是在晶体中再掺入敏化离子，利用它到Nd³⁺的能量转移来提高泵浦光的利用率从而使效率提高。如所周知，Cr³⁺就是一个较好的敏化离子^[2]。但在YAG中，Cr³⁺→Nd³⁺的能量转移效率不高，敏化作用不够理想。Holloway^[3]、Ковалева^[4]、Mares^[5]和Kvapil^[6]等人的研究指出，在YAG中有Ce³⁺到Nd³⁺的辐射能量转移，也存在无辐射能量转移，而且转移效率较高。但这些研究也指出，由于Ce³⁺的离子半径太大，利用Ce³⁺来敏化Nd：YAG会严重损害晶体的光学质量。因此，他们认为，从总体效果看，利用大量Ce³⁺敏化Nd：YAG是不利的，只能掺入微量的Ce³⁺来改进Nd：YAG的激光性能。

本申请人在另一项已授权专利^[7]中成功地解决了上述掺大量Ce³⁺带来的问题，既充分利用了Ce³⁺的敏化作用，又避免或消除了 大量Ce³⁺对光学均匀性的损害。生长出了脉冲激光效率比Nd：YAG高70%，光学均匀性良好，可在风冷重复频率下应用而且价格低廉的（Nd，Ce）：YAG晶体。但这种晶体在使用过程中，暴露出了新问题。突出表现在激光束的束散过大，特别是在与水冷条件相比，冷却不够的风冷条件下束散度过大，而且随着激光重复频率的提高，束散度迅速增加。在一般平-平激光腔的使用情况下，激光束的能量分布也随重复频率的提高而变差。这表明（Nd，Ce）：YAG的热效应较大。虽然如[7]所述，它可在较高环境温度下使用，但对激光棒内的温度不均匀性比较敏感。显然，这些缺点对风冷重复频率下的应用是很不利的。

本发明的目的就是给出一种即具有[7]所述的（Nd，Ce）：YAG的优点，而热效应比（Nd，Ce）：YAG低，在风冷重复频率使用条件下，激光束的束散度比（Nd，Ce）：YAG小的新激光晶体及其制备技术。

本发明是一种掺钕、铽和铈的钇铝石榴石[（Nd，Tb，Ce）：YAG]激光晶体，其特征在于它是由Nd，Tb，Ce，Y，Al和O等元素组成，化学式为Y_3-a-b-cNd_aTb_bCe_cAl₅O₁₂，其中a＝1.0×10^-4～7.5×10^-2，b＝1.0×10^-4，c＝大于0～4.5×10^-2，该晶体属立方晶系，空间群为O¹⁰_h-Ia3d晶格常数随a，b和c的值而稍有改变，大致在12.02A附近。