專利名稱：一種鉻鈥共摻的鉺激活鋁酸釔新型中波紅外激光晶體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光晶體材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
中紅夕卜2. 5 μ m 3 μ m波段激光涵蓋了大氣的主要光傳輸窗口，在自由空間光通信、遙感、機(jī)載紅外定向干擾源、紅外熱像儀、激光雷達(dá)、遙感化學(xué)傳感器、地形測量、空氣污染控制、等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。對于該波段激光，大氣中的水蒸氣和其他氣體，包括CO、CO2 和N2O等，存在強(qiáng)的振動(dòng)吸收峰，故該波段也被稱為大氣“分子指紋”波段。因此，該波段激光可被廣泛應(yīng)用于探測低濃度的構(gòu)成大氣污染和溫室氣體效應(yīng)的氣體分子，在大氣環(huán)境監(jiān)測和反化學(xué)戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用；還可以用來監(jiān)測人類的呼吸氣體，開展醫(yī)學(xué)診斷。此外，該波段激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用還包括組織切割與縫合、眼科學(xué)、神經(jīng)外科等。目前，該波段激光主要采用由激光晶體直接激射產(chǎn)生與采用光學(xué)參量振蕩和差頻等非線性光學(xué)方法獲得。半導(dǎo)體激光也可能是一種簡單和高性價(jià)比的光源，但是，除了少數(shù)情況，它們需要冷卻且輸出功率受限。而固體激光有望在高光束質(zhì)量和窄線寬下輸出很高的功率。利用近紅外半導(dǎo)體激光泵浦，可以提供穩(wěn)定、高效、緊湊且寬光譜覆蓋和調(diào)諧范圍的器件，而這是半導(dǎo)體激光難以做到的。因此，室溫半導(dǎo)體激光泵浦固體激光的實(shí)用化，作為該波段的簡單和緊湊的替代光源，對于遙感和痕量氣體探測等應(yīng)用具有重要意義。而且， 要將激光應(yīng)用于生物學(xué)、大氣環(huán)境探測、激光測距及光電對抗等領(lǐng)域，不僅要求激光單頻， 而且還要求頻率穩(wěn)定，這也是半導(dǎo)體激光難以做到的。此外，某些激光晶體寬的增益帶還將實(shí)現(xiàn)超短脈沖激光，這使得該波段激光可進(jìn)一步應(yīng)用于光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)、光學(xué)相干斷層掃描等領(lǐng)域。總之，隨著固體激光的發(fā)展，將有益于中紅外激光的眾多應(yīng)用領(lǐng)域。與通過采用光學(xué)參量振蕩和差頻等非線性光學(xué)產(chǎn)生該波段激光的方法相比，由激光晶體直接激射產(chǎn)生該波段激光的方法在光束質(zhì)量、穩(wěn)定性和器件裝置的簡便化方面，具有一定的優(yōu)勢，而與該波段激光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換密切相關(guān)的增益的研究與發(fā)展決定了該波段激光器件的工作水平，是該波段激光器廣泛應(yīng)用的物質(zhì)基礎(chǔ)；因此，也是當(dāng)今光電子材料領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。同時(shí)，晶體的功能性質(zhì)及應(yīng)用與其晶體結(jié)構(gòu)組成有密切關(guān)系。由激光晶體直接激射產(chǎn)生高效中紅外激光輸出的主要受限的問題是由于中紅外激光光子的能量較低，與許多著名激光晶體的晶格振動(dòng)頻率即聲子振動(dòng)頻率相當(dāng)，這樣導(dǎo)致了快速無輻射弛豫與激光發(fā)射的強(qiáng)烈競爭，因此，導(dǎo)致了激光的高被動(dòng)損耗。為了克服這個(gè)問題，必須選擇具有低聲子振動(dòng)頻率的材料，要由激光晶體直接激射產(chǎn)生中紅外激光，不僅要求激光基質(zhì)的聲子能量要小，聲子能量越小，則無輻射弛豫幾率也越小。同時(shí)，激光基質(zhì)的光譜在2. 5 μ m 3. 0 μ m要高透，并且要具有高的抗光損傷閾值和良好的物化性能，而摻雜于增益介質(zhì)中的激活離子則要有較大的發(fā)射截面(σ em > 10_21 10_2°cm2)。目前，2. 5 μ m 3 μ m波段激光是最急需又是最缺乏的激光光源之一，特別是 2. 7 μ m波段的激光光源。由于水對于 2.7 μ m激光光源有很強(qiáng)的吸收(其吸收系數(shù)是水對 2. Oum激光光源吸收系數(shù)的200倍以上)，所以有關(guān)對于這一波段激光晶體及其器件的研究的難度很大，所以有關(guān)這方面的研究報(bào)道都比較少，水平也不高，特別是在國內(nèi)，還未見到系統(tǒng)的研究。另外，作為激活離子，稀土或過渡族離子激活的的激光晶體是可以產(chǎn)生2. 5μπι 3. 0 μ m中紅外激光的，Er3+、Ho3+等便是有效的激活離子。其中Er3+離子具有豐富的能級(jí)，其相應(yīng)的4111/2 — 4I1372躍遷可以產(chǎn)生2. 5 3. 0 μ m 波段的激光。一般地，在晶場的作用下，各個(gè)主能級(jí)可以分裂出較多的子能級(jí)，相應(yīng)地Er3+ 離子可以產(chǎn)生多個(gè)波長的熒光發(fā)射，一般地，Er3+激活的晶體在2. 5 3. 0 μ m波段的熒光發(fā)射光譜，存在著 2. 6 μ m、2. 7 μ m、2. 8 μ m和2. 9 μ m波長多個(gè)發(fā)射峰。當(dāng)然，對于不同的激光基質(zhì)材料，其晶場強(qiáng)度和相關(guān)的參數(shù)都有較大的區(qū)別，使得能級(jí)的分裂情況也有差異， 導(dǎo)致各個(gè)發(fā)射峰的波長和相對的強(qiáng)弱發(fā)生變化。目前文獻(xiàn)已有報(bào)道 Er YAlO3 (YAP), Er Y3Al5O12 (YAG), Er Gd3Ga5O12 (GGG), EriY3Sc2Ga3O12 (YSGG)、EriLiYF4(LYF)等晶體實(shí)現(xiàn)了該波段百毫瓦量級(jí)乃至瓦級(jí)的激光輸
出ο由于Er3+離子具有豐富的能級(jí)和躍遷渠道，可以同時(shí)產(chǎn)生l.Mym波段發(fā)光(對應(yīng)于4113/2 — 4I15Z2躍遷)和2. 5 3. 0 μ m波段發(fā)光(對應(yīng)于4Iiv2 — 4I 1372躍遷)，兩個(gè)發(fā)光躍遷渠道形成強(qiáng)烈的競爭，使得2. 5 3. 0 μ m波段發(fā)光較弱，為了提高2. 5 3. 0 μ m波段發(fā)光強(qiáng)度，必須尋找出能夠有效抑制其它波段發(fā)光的方法，其中有效的方法之一是共摻 Ho3+敏化離子，可使得Er3+激光下能級(jí)4Iiv2的壽命減少而達(dá)到去激化的作用，抑制Er3+產(chǎn)生1. 54um激光4Iiv2 — 4I1572躍遷的競爭，從而有利于2. 5 3. Oum波段激光的輸出，大大地提高了量子效率。另外，共摻Cr3+敏化離子可提高泵浦效率。Cr3+— Er3+— Ho3+的敏化機(jī)理見圖1所示。YA103<YAP>晶體屬于四方晶系，具有良好的物化性能，不溶于強(qiáng)酸強(qiáng)堿，硬度大， 具有較高的熱導(dǎo)率和激光損傷閾值，晶體在1725°C的溫度時(shí)同成分熔化，可以采用提拉法生長大尺寸優(yōu)質(zhì)晶體，晶體2. 5 3. Oum中波紅外波段具有高的透過率，而且晶體具有較低的聲子能量(約為400cm-1)，Er3+離子激活的晶體在相應(yīng)波段具有較大的吸收與發(fā)射截面， 因此是2. 5 3. Oum中波紅外激光增益介質(zhì)潛在的優(yōu)秀基質(zhì)材料。從附圖2和附圖3中所測試的Cr3+:Er3+:HO3+:YA103晶體的吸收與發(fā)射熒光光譜圖中，可以看到晶體在氙燈發(fā)射光波范圍有較強(qiáng)的吸收，在2. 5 3. Oum中波紅外波段具有多個(gè)發(fā)射峰，其發(fā)射截面均為 10-2°cm2，有利于實(shí)現(xiàn)2. 5 3. Oum中波紅外高效激光運(yùn)轉(zhuǎn)，因此Cr3+Er3+Ho3+ = YAP將是一種潛在的優(yōu)秀中波紅外激光晶體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于公開一種能夠?qū)崿F(xiàn)2. 5 3. Oum中波紅外波段高效激光輸出的激光晶體材料 Cr3+ Er3+ Ho3+ YAlO3。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)方案1. 一種鉻鈥共摻的鉺激活鋁酸釔新型中波紅外激光晶體，該晶體材料的化學(xué)式為Cr3+:Er3+:H03+: YAlO3,屬于四方晶系I4/mmm，晶胞參數(shù)為σ = 5.137Α, b = 5.273A,C = 7.308A, V = 198. 02cm3，Dx = 5. 497g/cm3。2. 一種項(xiàng)1的激光晶體材料的制備方法，其特征在于采用4N的t03、Cr203、Er203、Ho2O3與分析純的Al2O3作為原料，通過高溫固相反應(yīng)獲得Cr3+:Er3+:H03+: YAlO3原料，在惰性氣氛下采用提拉法生長晶體。3. 一種項(xiàng)1的中波紅外激光晶體的用途，該材料用于2. 5 3. Oum中波紅外波段高效激光輸出，應(yīng)用于自由空間光通信、遙感、機(jī)載紅外定向干擾源、紅外熱像儀、激光雷達(dá)、遙感化學(xué)傳感器、地形測量、空氣污染控制、等領(lǐng)域。


附圖1為離子敏化機(jī)理；附圖2為晶體的室溫吸收光譜圖；附圖3為晶體的室溫?zé)晒獍l(fā)射光譜圖；附圖4為激光實(shí)驗(yàn)裝置。其中:1. Cr3+:Er3+:Ho3+:YA103激光晶體棒；2.氙燈泵浦源；3.諧振腔全反鏡；4.諧振腔激光輸出鏡；5.激光能量/功率計(jì)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一 Cr3+:Er3+:Ho3+:YA103晶體的生長制備晶體提拉法生長所用的儀器是D幾-400的中頻提拉爐，中頻電源型號(hào)為 KGPF25-0. 3-2. 5。采用Pt/Pt-他的熱電偶和型號(hào)為815EPC的歐路表控溫。所采用的坩堝是Φ55πιπιΧ50πιπι的銥坩堝，所用的原料是4Ν的^O3、Cr2O3、Er2O3、Ho2O3與分析純的Al2O3作為原料。根據(jù)下列化學(xué)反應(yīng)式配制原料(l-y-z)Y203+xCr203+zEr203+y Ho2O3+(I-X)Al2O3 — 2Y(1_y_z)CrxErzPryAl (1_x)03x = Iat% 20at%，y = 0at% 50at%，ζ = 0at% 50at%。把原料混合均勻，壓成片狀， 放進(jìn)鉬坩堝，置入普通燒結(jié)爐中，以150°C /h緩慢升溫到1080°C，保持48h，重復(fù)此過程，然后放入高溫?zé)Y(jié)爐中在1650°C下恒溫?zé)Y(jié)72h，取出多晶料，直至X射線粉末衍射與標(biāo)準(zhǔn)卡片完全相符為止。把原料裝入055mmX50mm的銥坩堝內(nèi)，為了避免銥坩堝的氧化，首先抽出爐子內(nèi)的空氣，使得爐子內(nèi)的氣壓達(dá)到-0. OlPa，再充入高純還原氣體使得氣壓達(dá)到0. 04MPa，然后升溫到比熔點(diǎn)高50°C的溫度，恒溫1 2小時(shí)，使得原料熔化完全。以鉬銥絲自然成核生長的晶體作為籽晶生長大尺寸的優(yōu)質(zhì)晶體。生長過程中，籽晶桿的提拉速率為1.3 1. 5mm/h,降溫速率為2 10°C /h,籽晶桿的轉(zhuǎn)動(dòng)速率為12 20r. p. m.，生長結(jié)束后將晶體提離液面，以10 30°C /h的速率降至室溫，得到尺寸為Φ20πιπιΧ50πιπι的透明晶體，然后在 N2-H2混合氣氛下高溫退火以消除氧缺陷。實(shí)施例二 Cr3+:Er3+:Ho3+:YA103晶體的激光實(shí)驗(yàn)加工出尺寸為的優(yōu)質(zhì)Cr3+:Er3+:HO3+:YA103晶體棒器件，采用氙燈作為泵浦源，進(jìn)行激光實(shí)驗(yàn)。氙燈泵浦激光實(shí)驗(yàn)裝置如附圖4所示。在激光實(shí)驗(yàn)中，所采用的氙燈尺寸為 <i)6mmX90mm，脈沖寬度220μ s，重復(fù)頻率有IHz和10Hz，激光諧振腔長度為120mm，采用平-平腔鏡，輸出鏡與輸入鏡在2. 64 μ m與2. 79 μ m 3. O μ m波段高透，輸入鏡在 2. 7 μ m 波段高反(> 99. 8% )，輸出鏡在 2. 7 μ m波段的透過率為5 % 6%，所采用的能量探頭加上過濾鏡片，過濾鏡片在< 1.8μπι波段高反(反射率>99%)，在> 1.8μπι波段的透過率為75%。
權(quán)利要求
1.一種鉻鈥共摻的鉺激活鋁酸釔新型中波紅外激光晶體，其特征在于該晶體材料的化學(xué)式為Cr3+:Er3+:H03+:YAW3，屬于四方晶系14/_，晶胞參數(shù)為σ =5.137Α, b = 5.273A,c = 7.308A, V = 198. 02cm3，Dx = 5. 497g/cm3。
2.—種權(quán)利要求1的中波紅外激光晶體的用途，該材料用于2. 5 3. Oum中波紅外波段高效激光輸出，應(yīng)用于自由空間光通信、遙感、機(jī)載紅外定向干擾源、紅外熱像儀、激光雷達(dá)、遙感化學(xué)傳感器、地形測量、空氣污染控制、等領(lǐng)域。
全文摘要
一種鉻鈥共摻的鉺激活鋁酸釔新型中波紅外激光晶體，涉及激光晶體材料領(lǐng)域。該晶體材料的化學(xué)式為Cr3+:Er3+:Ho3+:YAlO3，屬于四方晶系I4/mmm，晶胞參數(shù)為v＝198.02cm3，Dx＝5.497g/cm3。采用4N的Y2O3、Cr2O3、Er2O3、Ho2O3與分析純的Al2O3作為原料，通過高溫固相反應(yīng)獲得Cr3+:Er3+:Ho3+:YAlO3原料，在惰性氣氛下采用提拉法生長晶體。該材料用于2.5～3.0um中波紅外波段高效激光輸出，應(yīng)用于自由空間光通信、遙感、機(jī)載紅外定向干擾源、紅外熱像儀、激光雷達(dá)、遙感化學(xué)傳感器、地形測量、空氣污染控制、等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)C30B29/24GK102560660SQ20111026117
公開日2012年7月11日 申請日期2011年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者朱昭捷, 李堅(jiān)富, 涂朝陽, 游振宇, 王燕 申請人:中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所