本發(fā)明涉及激光晶體增益材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面向3.7～4.2微米全固體激光器的中紅外鈥釹雙摻激光晶體。

背景技術(shù)：

3.7～4.2微米波段激光在大氣污染監(jiān)控、傳感、醫(yī)療、海洋探測、工程控制、光譜學(xué)、遙感、激光雷達、光電對抗等民用和軍用領(lǐng)域具有等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在眾多稀土離子中，ho³⁺離子是實現(xiàn)3～5微米波段激光輸出的有效稀土離子之一，其中⁵i5→⁵i6的能級躍遷可產(chǎn)生3.7～4.2微米波段的激光。

在國外，2004年，stutz等在ho:bay2f8(byf)晶體中獲得3.9微米的脈沖激光輸出，抽運光為889nm的cr³⁺:lisaf脈沖激光，當ho:byf的摻雜濃度為30％時，采用雙向泵浦方式，在253k的溫度下，獲得最高90mj的3.9微米脈沖激光輸出。目前最好的結(jié)果是由美國軍工生產(chǎn)廠家northropgrumman公司在ho:ylf晶體中獲得的，已經(jīng)實現(xiàn)180mj的3.9微米脈沖激光輸出。然而依然存在這樣的問題：泵浦源局限于889nm的cr³⁺:lisaf脈沖激光、系統(tǒng)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、激光輸出能量低、效率低等。

而在國內(nèi)，該方面的研究遠遠落后于國外，目前只有長春理工大學(xué)、天津大學(xué)、清華大學(xué)以及四川大學(xué)等在ho³⁺摻雜ylf和byf晶體的生長與光學(xué)性能方面進行過少量相關(guān)報道。

綜上所述，目前基于ho³⁺摻雜激光晶體實現(xiàn)3.7～4.2微米激光輸出仍難以被廣泛應(yīng)用，泵浦源局限于889nm的cr³⁺:lisaf脈沖激光、系統(tǒng)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、激光輸出能量低、效率低等，通過分析其主要原因在于：缺乏高效3.7～4.2微米熒光發(fā)射的中紅外激光增益材料。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(i)ho³⁺上能級⁵i5的熒光壽命遠遠低于下能級⁵i6的熒光壽命，難于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致激光自終止；(ii)ho³⁺離子在889nm吸收弱，需要高摻雜濃度來提高泵浦吸收效率，反而增加晶體缺陷，降低激光輸出效率；(iii)相比目前發(fā)展成熟的ld，cr³⁺:lisaf脈沖激光作為泵浦源使得系統(tǒng)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、成本高。

因此研究面向3.7～4.2微米全固體激光器的中紅外鈥釹雙摻激光晶體對發(fā)展3.7～4.2微米的激光輸出具有重要意義。目前，國內(nèi)外未見有鈥釹雙摻晶體作為3.7～4.2微米中紅外激光晶體的相關(guān)報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種面向3.7～4.2微米全固體激光器的中紅外鈥釹雙摻激光晶體，該晶體可以實現(xiàn)3.7～4.2微米的激光輸出，在醫(yī)療、科研及軍事等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。

本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達到：

一種面向3.7～4.2微米全固體激光器的中紅外鈥釹雙摻激光晶體，所述激光晶體的摻雜離子為ho³⁺和nd³⁺共摻雜，其中所述ho³⁺作為激活離子，所述nd³⁺既作為所述ho³⁺的敏化離子，又作為所述ho³⁺的退激活離子；

所述激光晶體在半導(dǎo)體激光器泵浦下，nd³⁺有效吸收能量，然后在基質(zhì)材料聲子能量的輔助下，發(fā)生從nd³⁺:⁴f3/2到ho³⁺:⁵i5的能量傳遞，將能量轉(zhuǎn)移給ho³⁺離子，實現(xiàn)nd³⁺離子的敏化功能，使晶體適合半導(dǎo)體激光器泵浦；接著，發(fā)生ho³⁺：⁵i5→⁵i6的能級躍遷，發(fā)出3.7～4.2微米的熒光，然后在基質(zhì)材料聲子能量的輔助下，發(fā)生從ho³⁺:⁵i6到nd³⁺:⁴i15/2的能量傳遞，加快ho³⁺下能級⁵i6的粒子抽空速率，達到退激活作用，降低下能級⁵i6的能級壽命，利于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的形成。

進一步地，所述ho³⁺的摻雜濃度范圍為：0.1～50mol％，所述nd³⁺的摻雜濃度范圍為：0.1～20mol％。

進一步地，所述基質(zhì)材料包括氟化釔鋇、氟化镥鋰、氟化銥鋰、氟化鉛、氟化鈣、氟化鎂、氟化鍶、氟化鑭、釔鋁石榴石、鋁酸镥石榴石、鋁酸釔、鋁酸镥、釓鎵石榴石、srgdga3o7、srlaga3o7、cayalo4、cagdalo4、y3sc2ga3o12、gd3sc2ga3o12、pbga2s4、kpb2br5和kpb2cl5。

進一步地，所述半導(dǎo)體激光器所采用的泵浦源為780～830納米。

進一步地，所述激光晶體用于實現(xiàn)3.7～4.2微米波段全固態(tài)激光輸出。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果：

本發(fā)明首次提出通過三價釹離子(nd³⁺離子)共摻來敏化三價鈥離子(ho³⁺離子)和降低三價鈥離子(ho³⁺離子)激光下能級⁵i6壽命的學(xué)術(shù)思想，達到同時實現(xiàn)晶體的ld泵浦和增強3.7～4.2微米中紅外熒光發(fā)射的雙重目的，利于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的形成，進而提高ho³⁺激活中紅外激光晶體的激光輸出效率。

附圖說明

圖1為ho³⁺,nd³⁺能級躍遷示意圖；

圖2為ho³⁺/nd³⁺:pbf2晶體和ho³⁺:pbf2晶體的熒光光譜；

圖3為ho³⁺/nd³⁺:pbf2晶體⁵i6能級的熒光衰減曲線；

圖4為ho³⁺:pbf2晶體⁵i6能級的熒光衰減曲線。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

實施例一

本實施例公開了一種面向3.7～4.2微米全固體激光器的中紅外鈥釹雙摻激光晶體，其中，三價鈥離子(ho³⁺)作為激活離子，能夠發(fā)出3.7～4.2微米的熒光，對應(yīng)的能級躍遷為ho³⁺：⁵i5→⁵i6；三價釹離子(nd³⁺)具有雙重作用，既可作為三價鈥離子的敏化離子，又可作為三價鈥離子的退激活離子，如圖1所示：在發(fā)展成熟的半導(dǎo)體激光器(ld)泵浦下，中心波長范圍為：780～830nm(即采用泵浦源為780～830納米的半導(dǎo)體激光器)，nd³⁺有效吸收能量，然后在基質(zhì)材料聲子能量的輔助下，發(fā)生從nd³⁺:⁴f3/2到ho³⁺:⁵i5的能量傳遞，將能量轉(zhuǎn)移給ho³⁺離子，實現(xiàn)nd³⁺離子的敏化功能，使晶體適合半導(dǎo)體激光器(ld)泵浦；接著，發(fā)生ho³⁺：⁵i5→⁵i6的能級躍遷，發(fā)出3.7～4.2微米的熒光，然后在基質(zhì)材料聲子能量的輔助下，發(fā)生從ho³⁺:⁵i6到nd³⁺:⁴i15/2的能量傳遞，加快ho³⁺下能級⁵i6的粒子抽空速率，達到退激活作用，降低下能級⁵i6的能級壽命，利于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的形成。

此類晶體中，三價鈥離子(ho³⁺)的摻雜濃度范圍為：0.1～50mol％，三價釹離子(nd³⁺)的摻雜濃度范圍為：0.1～20mol％。

該類晶體的基質(zhì)材料聲子能量低，基質(zhì)材料包括氟化釔鋇(bay2f8)，氟化镥鋰(lulif4)，氟化銥鋰(ylif4)，氟化鉛(pbf2)，氟化鈣(caf2)，氟化鎂(mgf2)，氟化鍶(srf3)，氟化鑭(laf3)，釔鋁石榴石(y3al5o12)，鋁酸镥石榴石(lu3al5o12)，鋁酸釔(yalo3)，鋁酸镥(lualo3)，釓鎵石榴石(gd3ga5o12)，srgdga3o7，srlaga3o7,cayalo4，cagdalo4，y3sc2ga3o12，gd3sc2ga3o12，pbga2s4，kpb2br5，kpb2cl5等晶體。

本實施例中公開的新型高效中紅外鈥釹雙摻激光晶體能夠用于實現(xiàn)3.7～4.2微米波段激光輸出。

實施例二

本實施例中選用純度大于99.99％的原料pbf2、ndf3和hof3，采用坩堝下降法進行晶體生長，成功生長了鈥釹共摻雜氟化鉛中紅外激光晶體，其中三價鈥離子(ho³⁺)的摻雜濃度為2mol％，三價釹離子(nd³⁺)的摻雜濃度為2mol％。成功生長晶體后，加工尺寸為8×8×1mm³的樣品進行光譜測試，在808nmld激發(fā)下，成功測試到3.7～4.2微米中紅外熒光發(fā)射光譜曲線，結(jié)果如圖2所示，證明了釹離子對鈥離子的敏化作用。同時，采用坩堝下降法成功生長了鈥離子單摻的氟化鉛晶體，其中鈥離子的摻雜濃度為2mol％，同樣對其進行光譜性能測試，測試了該晶體的3.7～4.2微米中紅外熒光發(fā)射光譜曲線，并且與鈥釹雙摻氟化鉛晶體進行對比，結(jié)果如圖2所示，可以看出，釹離子的摻入，能夠有效地增強晶體的3.7～4.2微米中紅外熒光發(fā)射。為了進一步對釹離子的退激活效應(yīng)進行研究，測試了晶體激光下能級的熒光壽命，結(jié)果如圖3和圖4所示，由圖可見，釹離子的摻入，能夠有效地降低激光下能級熒光壽命，從單摻鈥離子的5.4ms下降到鈥釹共摻的2.0ms，下降幅度達到63％，直接從實驗上證明了釹離子對鈥離子的退激活效應(yīng)。

這是國際上首次在ho³⁺離子激活激光晶體上直接ld激發(fā)產(chǎn)生增強的3.7～4.2微米波段熒光發(fā)射，具有重要的研究價值和應(yīng)用前景。同時也表明：鈥釹共摻新型中紅外激光晶體有望成為一種既適合ld泵浦，又具備高效3.7～4.2微米熒光發(fā)射的新型中紅外激光增益材料，實現(xiàn)高效的激光輸出。

綜上所述，本發(fā)明首次提出了通過在ho³⁺激活晶體中共摻具有敏化與退激活雙重作用的nd³⁺離子的學(xué)術(shù)思想，實現(xiàn)了晶體的ld泵浦和降低下能級壽命、增強3.7～4.2微米熒光發(fā)射的雙層目的。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。