[发明专利]一种掺钕、铈、铬的钇铝石榴石晶体

说明书

本发明涉及一种掺钕、铈、铬的钇铝石榴石激光晶体材料。

现在广泛使用的掺钕钇铝石榴石(以下简称Nd∶YAG)激光晶体材料存在以下三方面不足，一是掺入晶体中的激活离子Nd³⁺的浓度较低，通常在0.6～1.2at％范围内，因而激光效率低。当Nd³⁺浓度高于1.2at％时，晶体光学质量明显降低，激光输出性能变差。造成Nd³⁺浓度低的原因是Nd³⁺的离子半径比被替代的基质中Y³⁺的离子半径大得较多，Nd³⁺进入晶体中引起晶格失配，当掺Nd³⁺浓度增高时，晶格畸变严重。另一个问题是晶体中Nd³⁺离子吸收光泵能量的利用率低，即闪光灯泵浦激光效率低。原因是Nd³⁺的吸收是由4f³电子组态内受迫电偶极跃迁产生，吸收振子强度小、带宽窄。再一个问题是晶体受紫外光辐照容易产生附加着色(色心)，色心的形成导致激光输出降低和不稳定。

由于上述问题，Nd∶YAG晶体激光效率不高，尤其是在闪光灯泵浦低能量输入的情况下效率低，并且泵浦需要采取滤紫外措施，否则激光输出能量(或功率)下降或不稳定。

为了提高Nd∶YAG晶体的激光效率，长期以来人们开展了大量研究工作。概括起来这些工作主要有几个方面：一是在Nd∶YAG晶体中掺入离子半径比Nd³⁺小的离子，进行体积补偿，以减小因掺Nd³⁺所引起的晶格畸变，从而达到提高晶体光学质量和激光效率的目的。例如Nd∶Lu∶YAG晶体(USP,3.632,521)，其中Lu³⁺是掺入的离子半径比Nd³⁺小的体积补偿离子。这种晶体由于激光效率提高不明显，同时Lu₂O₃原材料价格昂贵，用量又较大，故实际生产中未采用。另一种途径是在晶体中掺入敏化离子，利用敏化离子强而宽吸收带能够大量吸收光泵能量并将吸收的能量有效地转移给Nd³⁺的敏化作用来提高激光输出效率。例如Nd∶Ce∶YAG晶体(J.Mares,Czeech.J.Phys B35,883,1985)，其中Ce³⁺是掺入的敏化离子。要获得高效率的Ce³⁺向Nd³⁺能量转移，敏化离子Ce³⁺与激活离子Nd³⁺的浓度比例须达到一定的水平，即晶体中应掺入较高浓度的Ce³⁺离子。但是由于Ce³⁺的离子半径比被替代的基质中Y³⁺的离子半径大得较多，较高浓度Ce³⁺离子掺杂必定造成严重的晶格畸变，导致晶体生长困难和光学质量降低，并且带来晶体热效应增强，热稳定性变差，光束束散角增大等一些不利影响。

为了解决Nd∶Ce∶YAG晶体严重热效应问题，可采用在晶体中掺入晶格补偿离子，以减小晶格畸变和提高晶体热学性能。如Nd∶Tb∶Ce∶YAG晶体(CN1088635)是采用离子半径比Ce³⁺、Nd³⁺小的Tb³⁺作为晶格补偿离子掺入Nd∶Ce∶YAG中部分或全部替代Ce³⁺，已取得一定效果。但是Tb³⁺与Nd³⁺、Ce³⁺离子都是替代Y³⁺进入石榴石结构十二面体中心格位，其减小晶格畸变作用效果不如采用离子半径较小的离子替代Al³⁺进入八面体中心格位明显，因而它对解决Nd∶Ce∶YAG晶体严重热效应问题并不理想。若采用Tb³⁺全部替代晶体中Ce³⁺，则因Tb³⁺对Nd³⁺的敏化作用远不如Ce³⁺有效而造成激光效率降低。而且Tb为贵重稀有元素，量少且价格昂贵，大量掺杂和推广应用将受到限制。为了改进，本发明采用普通过渡金属Cr³⁺离子作为晶格补偿和敏化离子，掺入到Nd∶Ce∶YAG中替代Al³⁺进入石榴石结构八面体中心格位，同时增强晶格补偿作用和敏化作用。