專利名稱：自調(diào)制激光晶體Cr的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種新型的自調(diào)制激光晶體Cr4+，Yb3+Y3Al5O12(YAG)。
早在1983年，中國(guó)電子工業(yè)部11所的桂尤喜、冀天來(lái)等人就在色心NdYAG晶體中發(fā)現(xiàn)了可飽和吸收現(xiàn)象，并成功研究和開發(fā)出色心NdYAG調(diào)制器和色心NdYAG自調(diào)Q激光器，研究成果可參閱激光與紅外，10(1983)P.25～38。1988年，蘇聯(lián)科學(xué)家B.Angert等人在Cr4+YAG晶體中獲得1300-1500nm可調(diào)諧的Cr4+激光輸出，發(fā)表在Sov.J.Quantum Electron.Vol.18，No.1(1988)P.73-74。同時(shí)Cr4+YAG晶體作為一種性能優(yōu)良的可飽和吸收體，被廣泛用作被動(dòng)調(diào)Q開關(guān)。并由此確認(rèn)我國(guó)電子工業(yè)部11所發(fā)明的色心NdYAG晶體就是Cr4+，NdYAG晶體，具有自調(diào)Q特性。
Yb3+YAG晶體是一種用于LD(激光二極管)泵浦高功率激光晶體，它具有熒光壽命長(zhǎng)(1.2ms)、無(wú)濃度猝滅、上轉(zhuǎn)換和激發(fā)態(tài)吸收，材料熱效應(yīng)低(為NdYAG的1/4)，900～1100nm寬帶吸收、光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)70％等優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)Lawrence Livermore NationalLaboratory(LLNL)實(shí)驗(yàn)室、林肯實(shí)驗(yàn)室和德國(guó)Stuttgart大學(xué)紛紛展開研究，參閱文獻(xiàn)Appl.Phys.B.58(1994)365-372。1991年林肯實(shí)驗(yàn)室P.Lacovara等人首次采用InGaAs半導(dǎo)體激光泵浦Yb3+YAG獲得1.030mm室溫激光輸出，光斜率效率＞25％，參閱文獻(xiàn)Optics Letters，Vol.16，No.14(1991)P.1089～1091。隨著InGaAs半導(dǎo)體激光器或列陣成本的降低，LD泵浦Yb3+YAG激光器將會(huì)商品化。
綜上所述，目前僅有的自調(diào)Q激光基質(zhì)晶體是Cr4+，Nd石榴石(YAG，GSGG等)，但考慮到在這一晶體中，Nd3+的摻雜濃度低，對(duì)應(yīng)的Cr4+離子的濃度調(diào)節(jié)范圍窄，同摻Nd3+，Ca2+，Cr4+等離子晶體生長(zhǎng)困難，器件結(jié)構(gòu)和輸出特性受到限制，有必要尋找另外的性能更好的自調(diào)Q激光材料。Yb3+，Cr4+YAG作為一種新型的自調(diào)Q激光晶體材料，可以克服以上缺點(diǎn)。
本發(fā)明的目的在于尋找一種新型的自調(diào)制激光基質(zhì)晶體Cr4+，Yb3+YAG，它不僅可高摻雜，而且生長(zhǎng)容易?？芍苯硬捎肐nGaAs半導(dǎo)體激光泵浦，在不外加調(diào)制元件(如LiF色心、染料和主動(dòng)調(diào)制)的情況下，實(shí)現(xiàn)自調(diào)Q1.030mm激光輸出。
本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)是在YAG晶體基質(zhì)中同時(shí)產(chǎn)生Yb3+和Cr4+離子，用Cr4+離子的可飽和吸收特性對(duì)Yb3+的1.030mm激光實(shí)現(xiàn)自調(diào)Q。
本發(fā)明提出在YAG晶體生長(zhǎng)配方中分別摻入Yb2O3，Cr2O3和CaO(或Mg)等三種合適比例成分原料，其中Ca2+(或Mg2+等)離子作為補(bǔ)償離子，這樣在YAG晶體中就能實(shí)現(xiàn)Yb3+和Cr4+離子同時(shí)共存。
本發(fā)明的Cr4+，Yb3+Y3Al5O12晶體的原料配方為
其中x＝0.1～0.25，y＝0.001～0.01，z＝0.001～0.01。
本發(fā)明所用的提拉法(Czochralski)生長(zhǎng)Cr4+，Yb3+YAG晶體的裝置為普通的中頻感應(yīng)加熱單晶爐。它包括銥(Ir)坩堝、真空系統(tǒng)、中頻感應(yīng)發(fā)生器電源和溫控系統(tǒng)等部分。
Cr4+，Yb3+YAG晶體生長(zhǎng)工藝流程如下首先將Al2O3、Y2O3、Yb2O3、Cr2O3和CaO(或Mg)高純度粉料按上述比例配比稱量，在混料機(jī)中機(jī)械混合后，用壓料機(jī)壓塊成形，在1200℃以上高溫?zé)Y(jié)預(yù)先化學(xué)合成后，裝入銥坩堝中，爐內(nèi)用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵抽高真空至10-5torr，充入一定壓力的高純氬氣(或含1％左右氧氣)。升溫至晶體熔點(diǎn)(1940℃)，待料熔化后，以籽晶引晶，從熔體表面緩慢提拉晶體，晶體轉(zhuǎn)速為10～30rpm，拉速為0.5～2mm/hr，生長(zhǎng)晶體后，緩慢降溫至室溫。
將以上晶體經(jīng)X光定向切割，樣品表面經(jīng)粗、細(xì)磨和拋光，使樣品表面具有良好的光潔度，測(cè)量晶體的光譜特性。
晶體的吸收光譜測(cè)量所用儀器是PERKIN-ELMER1-9UV/VIS/NIR型分光光度計(jì)。圖1是Cr4+，Yb3+YAG晶體的吸收光譜，與單摻Cr4+和單摻Y(jié)b3+的YAG吸收光譜比較于圖2和圖3。圖1中曲線1為Cr3+離子的主吸收，曲線2為Yb3++Cr4+離子的主吸收。圖2是單摻Cr4+離子(Cr摻雜濃度與圖1相同)的Cr4+YAG晶體室溫吸收光譜，其中曲線3為Cr3+離子的主吸收，曲線4為Cr4+離子的主吸收。圖3是單摻Y(jié)b3+離子(Yb摻雜濃度與圖1相同)的Yb3+YAG晶體室溫吸收光譜。
Cr4+，Yb3+YAG晶體的發(fā)光光譜和發(fā)光特性同Yb3+YAG晶體相當(dāng)940nm吸收截面σabs＝0.8×10-20cm2，1.030um發(fā)射截面σg＝2×10-20cm2，熒光壽命τ＝1.1ms。Yb3+的發(fā)光波長(zhǎng)1.03mm正好位于Cr4+的吸收波段內(nèi)。
為了有效提高Cr4+，Yb3+YAG晶體中Cr4+離子濃度，將晶體在1000～1600℃下氧化氣氛退火。
考慮到晶體調(diào)Q判據(jù)σa/σg×Ag/Aa＞1。其中Yb3+的發(fā)射截面σg＝2×10-20cm2，Ag為Yb3+的光斑面積；Cr4+的吸收截面σa＝3×10-18cm2，Aa為Cr4+的光斑面積。
對(duì)于自調(diào)Q晶體Ag＝Aa，因此σa/σg＝150＞＞1。在此情況下，Cr4+離子能有效地對(duì)Yb3+調(diào)制，即Cr4+，Yb3+YAG晶體是個(gè)優(yōu)良的自調(diào)Q激光晶體。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是Cr4+，Yb3+YAG晶體本身?yè)诫sYb3+濃度可以高達(dá)1～25mol％，相對(duì)應(yīng)的Cr4+離子的調(diào)節(jié)范圍也可很寬，制作激光器時(shí)，器件可以做成薄片狀。由于Yb3+(0.086nm)離子半徑與Y3+(0.089nm)相近，晶體生長(zhǎng)容易。Cr4+，Yb3+YAG晶體在0.9～1.1μm有寬帶吸收，適宜于InGaAs半導(dǎo)體或TiAl2O3激光泵浦，在不外加調(diào)制元件(如LiF色心、染料和主動(dòng)元件)的情況下，實(shí)現(xiàn)自調(diào)Q1.03μm激光輸出，可使整套激光器件更加小型化、集成化和實(shí)用化。


圖1是Cr4+，Yb3+YAG晶體的室溫吸收光譜圖2是單摻Cr4+離子(Cr摻雜濃度與圖1相同)的Cr4+YAG晶體室溫吸收光譜圖3是單摻Y(jié)b3+離子(Yb摻雜濃度與圖1相同)的Yb3+YAG晶體室溫吸收光譜圖中橫座標(biāo)為波長(zhǎng)(Wavelength)，縱坐標(biāo)為光密度(Optical Density)。
實(shí)施例1用上述的原料配比和工藝流程生長(zhǎng)Cr4+，Yb3+YAG晶體，原料配比中取x＝0.2，y＝0.005，z＝0.005。
所以，將Al2O3，Y2O3，Yb2O3，Cr2O3，和CaO高純?cè)?含量均＞99.99％)按照1∶1∶0.2∶0.005∶0.005比例配比稱量，在混料機(jī)中混合24小時(shí)后，用2t/cm2的等靜壓力鍛壓成塊。在1200℃溫度下空氣中燒結(jié)，裝入銥坩堝，爐內(nèi)抽真空至10-5torr后，充入1個(gè)大氣壓的高純氬氣。升溫至1940℃，料熔化，以[111]定向的籽晶引晶，從熔體表面緩慢引上晶體，晶體轉(zhuǎn)速為15rpm，拉速為1mm/hr，長(zhǎng)完晶體后，以50℃/hr速率降溫至室溫。取出晶體，晶體結(jié)晶完整，Yb3+濃度均勻分布，而Cr4+濃度頭部深，尾部淺。Cr4+，Yb3+YAG與Cr4+YAG，Yb3+YAG晶體的比較吸收光譜分別見圖1、圖2和圖3。
權(quán)利要求
1.一種自調(diào)制激光晶體Cr4+，Yb3+Y3Al5O12，以Y3Al5O12(YAG)作為基質(zhì)，摻雜Cr4+和Yb3+離子，其特征在于在基質(zhì)Y3Al5O12中摻有補(bǔ)償離子，使Cr4+和Yb3+兩種離子在基質(zhì)YAG中同時(shí)共存。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的激光晶體Cr4+，Yb3+Y3Al5O12，其特征在于在基質(zhì)Y3Al5O12中摻雜的補(bǔ)償離子是Ca2+離子或者M(jìn)g2+離子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的激光晶體Cr4+，Yb3+Y3Al5O12，其特征在于生長(zhǎng)晶體Cr4+，Yb3+Y3Al5O12的原料配方是
其中x＝0.1～0.25，y＝0.001～0.01，z＝0.001～0.01。
全文摘要
本發(fā)明的自調(diào)制激光晶體Cr
文檔編號(hào)C30B29/10GK1191904SQ9710629
公開日1998年9月2日 申請(qǐng)日期1997年2月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月26日
發(fā)明者徐軍, 鄧佩珍, 周國(guó)清 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所