專利名稱:混合鑭系鎂鋁酸鹽及應(yīng)用這些鋁酸鹽單晶的激光器的制作方法
本發(fā)明涉及混合鑭系鎂鋁酸鹽的單晶，該種單晶可用于微型激光器中的集成透鏡、光導(dǎo)纖維、電訊或醫(yī)學(xué)(如微形手術(shù)，皮膚處理)，可用于能發(fā)射紅外光或可見光的具有一定程度可調(diào)諧的大功率激光器以及在可見光范圍內(nèi)可調(diào)諧的大功率激光器，更具體地說，這使它能進行對材料的處理(如焊接、打孔、打標(biāo)志、表面處理)、進行光學(xué)反應(yīng)、可控制熱核聚變，或者能使如氦一類氣體的原子發(fā)生極化。
本發(fā)明的某些激光器可發(fā)射波長為1054、1082及1320毫微米的譜線并具有一定程度的可調(diào)諧性，另外一些激光器可發(fā)射1.5至3微米范圍內(nèi)的譜線，以及還有其它一些激光器在680至800毫微米之間可調(diào)。
已知的混合鑭系鎂鋁酸鹽，具體地說是被稱之為LNA的鑭釹鎂的鋁酸鹽，其通式為La1-xNdxMgAl11O19，其中0＜x＜1，而最好是La0.9Nd0.1MgAl11O19。這些混合的鋁酸鹽在以本申請人的名字申請的法國專利申請說明書FR-A-2448134及歐洲專利申請說明書EP-A-0043776號中有詳細(xì)的敘述。這些混合鋁酸鹽單晶在發(fā)射紅外譜線方面具有與摻釹的鋁和釔石榴石(簡寫為YAG∶Nd)以及超磷酸釹(NdP5O14)相類似的激光性質(zhì)。
特別是，LNA具有十分有意義的激光發(fā)射波長1054和1082毫微米，覆蓋了YAG的激光發(fā)射波長1064毫微米。而且它還有另一個在1320毫微米附近的發(fā)射波長范圍，該波長范圍是相應(yīng)于二氧化硅光纖的最小衰減區(qū)間，這就可允許傳輸最大量的信息而只帶來最少的損耗。為獲得激光效應(yīng)，可采用熔體生長晶體的許多方法來制備LNA單晶，如火焰熔融法或切克勞斯基提拉法。
但是，這些鋁酸鹽沒有所謂同成分熔點，也就是說該單晶與熔體的組分不同。這樣，如果需要制備為工業(yè)激光器，尤其是為大功率激光器所需要的大直徑單晶(6.5毫米直徑，100毫米長的條或棒)，那么，這些鋁酸鹽單晶的制備，尤其是用最廣泛使用的切克勞斯基提拉法來制備將導(dǎo)致單晶的質(zhì)量不合要求(帶氣泡、缺陷等)，況且，LNA只有很少數(shù)的激光發(fā)射波長。
另外，已知混合鑭釹鎂鋁酸鹽的通式為La1-xNdxMgYAl11O18+Y，式中x和y分別代表符合0＜x＜0.2及0＜y＜1，最好為0.4＜y＜0.7的數(shù)。在1985年10月21日申請的、申請?zhí)枮?515579的法國專利申請就是以這些混合鋁酸鹽作為主題內(nèi)容。就大直徑單晶的生產(chǎn)而論，這些混合鋁酸鹽比起LNA來說是一個進步，但是，這些激光器所覆蓋的波長范圍仍然有限。
本發(fā)明特別涉及可用于大功率工業(yè)激光器的新的混合鑭系鎂鋁酸鹽單晶，以它制造的激光器可發(fā)射從黃光至紅外(3微米)范圍的波長。
根據(jù)本發(fā)明的主要方面，這些混合鑭系鎂鋁酸鹽的特征在于有下列通式Ⅰ(La1-xTrx)1-y-vMg1-z-tAl11-u+y+2z/3CruO19-t-3v/2式中Tr代表(a)至少一種從鑭系元素，Y和Sc中選擇出來的單獨的三價元素，或(b)至少一對由一種二價元素和一種三價元素組成的鑭系元素時，以添加所缺的鋁或氧或所說的單獨的或成對的鑭系元素來保持電中性;x代表符合于0≤x＜1的一個數(shù);y及v代表符合于0≤y+v≤0.4的兩個數(shù);z及t代表符合于0≤x+t＜1的兩個數(shù)，條件是當(dāng)z+t＝0時，y+v≠0或者Tr代表一個單獨的三價鑭系元素;u是在0至2之間的一個數(shù)，條件是當(dāng)Tr代表Y+3或Sc+3時，u≠0和當(dāng)x＝0時，u≠0以及當(dāng)u＝0時，x≠0。此外，這些混合鋁酸鹽是單相的并具有磁鉛石型的晶體結(jié)構(gòu)，呈六方晶系的晶格。具體地說，它們具有類似于Al2O3的機械特性。
根據(jù)本發(fā)明，這些鋁酸鹽可用作能發(fā)射一種寬波長范圍的激光發(fā)射體，所說波長范圍要取決于Tr的性質(zhì)以及Cr的存在與否。況且這些鋁酸鹽中許多都具有一個所謂同成分熔點，并且用切克勞斯基提拉法所制得的晶體是優(yōu)質(zhì)的。這樣就有可能制備為大功率工業(yè)激光器所需要的大單晶。
而且，在單晶的生長期間，這些混合鋁酸鹽不出現(xiàn)組分的偏析，這就使得有可能將其單晶的拉制速率提高到大于LNA的拉制速率。對于單晶的生產(chǎn)時間以及對于拉制單晶所用的盛熔體的坩堝壽命來說，這一點就是十分有利的。
在通式Ⅰ中，當(dāng)x≠0時，Tr是選自釹(Nd)、鐠(Pr)、鉺(Er)、鈥(Ho)、銩(Tm)、二價的Nd-Eu對、二價的Pr-Eu對和鐠-釤(Pr-Sm)對、鐠-鏑(Pr-Dy)對、Pr-Tm對、A-Nd對、A-Pr對、A-Er對、A-Ho對以及A-Tm對，其中A代表選自釔(Y)、鈧(Sc)、镥(Lu)、鈰(Ce)及釓(Gd)中的一種元素。
Tr最好是選自Nd、Pr、Er、Ho、Tm、二價的Nd-Eu對、二價的Pr-Eu對、Ce-Nd對、Ce-Pr對、Pr-Sm對、Pr-Dy對、Pr-Tm對、Ce-Er對和Ce-Ho對。
當(dāng)通式Ⅰ中的x＝0時，u就不能等于零，這樣所制得的相應(yīng)的混合鋁酸鹽的單晶可用于連續(xù)式或脈沖式的激光器，它發(fā)射可見光及近紅外光譜，并在680至800毫微米之間可調(diào)，能發(fā)射這些光譜是由于Cr存在的緣故。
目前，只有能發(fā)射680至800毫微米范圍波長的，具有通式為BeAl2O4∶Cr+3的摻有Cr的翠綠寶石對電子振動激光器具有真正的工業(yè)重要性。這種激光器是可調(diào)的，其中用來產(chǎn)生激光效應(yīng)所需的能量就是把基態(tài)電子激發(fā)到振動態(tài)所需的能量。
當(dāng)Tr代表Pr或一種D-Pr對時，根據(jù)本發(fā)明所制得的混合鋁酸鹽單晶可用作為一種能發(fā)射可見光并主要為黃光及紅光的激光發(fā)射體，上述D-Pr對中的D代表在x≠0時選自Y、Sc、Lu、Ce、Sm、Dy、三價的Tm和二價的Eu中的一種元素。這些鋁酸鹽由于存在Pr而發(fā)出激發(fā)光，它們在連續(xù)的或脈沖的大功率激光器中更為適用。大功率激光器這一術(shù)語應(yīng)理解為一種至少能發(fā)射出幾瓦功率光束的激光器。
當(dāng)通式Ⅰ中的Tr代表Nd或E-Nd對時，相應(yīng)的混合鋁酸鹽單晶可用作為一種激光發(fā)射體，特別適合用作為能發(fā)射紅外、尤其是能發(fā)射1054、1082毫微米或象LNA那樣發(fā)射1320毫微米的大功率激光發(fā)射體，上述E-Nd對中的E代表在x≠0時選自Y、Sc、Lu、三價氧化態(tài)的Ce和二價氧化態(tài)的Eu中的一種元素。這種激光器的發(fā)射是由于這些鋁酸鹽中摻有Nd。
當(dāng)通式Ⅰ中的Tr代表Ho或G-Ho對時，相應(yīng)的混合鋁酸鹽單晶可用作為激光發(fā)射體并特別適用于發(fā)射紅外光譜，尤其是能發(fā)射波長在1500至3000毫微米之間光譜的大功率激光器，上述G-Ho對中的G代表在x≠0時選自Y、Sc、Lu和Ce中的一種元素。
在3000毫微米附近的波長之優(yōu)點是易被水吸收。而且波長在1.5微米附近時人眼對激光射束不太敏感，這有利于保護眼睛。
當(dāng)Tr代表單獨的Er或Tm，或者它們與Ce、Y、Sc或Lu或任何其它稀土元素組合時，就可以發(fā)射其它波長的光譜。由于Er的存在，激光器特別適合于發(fā)射紅外光譜。
眾所周知，激光效應(yīng)取決于某些參數(shù)，特別是取決于引起激光效應(yīng)的離子激發(fā)態(tài)E1的壽命。假如所說的激發(fā)態(tài)的壽命較長，則可能發(fā)生粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，即是指激發(fā)態(tài)離子的數(shù)目超過基態(tài)離子的數(shù)目。對于Nd、Pr、Ho、Tm、Er及Cr來說，可能發(fā)生在激發(fā)態(tài)E1及低能級之間的相互轉(zhuǎn)換，這種情況在A.Kaminskii所著的以“Achievements in the field of Physics and Spectroscopy of Activated Laser Crystals”為題的論文中(Phys.Status Sol.(a)87，11，1985)有較詳細(xì)的敘述。
研究結(jié)果表明，在本發(fā)明的混合物中，La的含量愈高，則激發(fā)態(tài)E1的壽命愈長。然而，熒光的強度隨發(fā)光離子濃度增加而提高。但是，過多的發(fā)光離子會促使這些離子間相互發(fā)生反應(yīng)，這就有損于它的熒光。
為了促使具有激發(fā)態(tài)E1的粒子數(shù)增加，可把發(fā)光離子激發(fā)到一個超過激發(fā)態(tài)E1的能級E2。具有激發(fā)態(tài)E2的粒子可用光吸收法或光泵激作用來獲得。由于能級E2非常不穩(wěn)定，故發(fā)光離子會自發(fā)去激而轉(zhuǎn)變?yōu)槟軕B(tài)E1。
由于鑭系元素的吸收峰，特別是Nd的吸收峰十分窄，故用Cr來取代部分的Al有助于鋁酸鹽對光的吸收。這樣，Cr在可見光范圍有很寬的吸收帶，即從400至500毫微米的第一帶和從600至700毫微米的第二帶。
在這些譜帶的某處以光吸收的方法使Cr離子轉(zhuǎn)變成激發(fā)態(tài)之后，Cr離子就把它的能量轉(zhuǎn)移給Nd離子，這樣就使具有能級E1的粒子數(shù)增加。因為在Cr離子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的能差，接近于在Nd離子的基態(tài)和超激態(tài)E2之間的能差，所以這種能量的轉(zhuǎn)移是可能的。
可以用Sm、Dy、Tm、三價Ce或二價Eu來取代含Pr的鋁酸鹽中的部分發(fā)光原子而增強其光泵激作用。這樣，這些元素中的某幾個元素具有和Cr的吸收帶一樣寬的吸收帶(這些鑭系元素和Cr的吸收帶寬度是與它們從D能級向F能級轉(zhuǎn)移的性質(zhì)有關(guān))。而且，所有這些元素都能滿足在某些熒光轉(zhuǎn)移和Pr吸收之間的共振規(guī)則。
這些元素(鑭系元素或鉻)被稱之為激光發(fā)射敏化劑，而能引起激光效應(yīng)的發(fā)光離子被稱之為激光活化劑。敏化劑和活化劑被選用來作為一種功能元件，以獲得光泵激作用所使用的波長及所需要的轉(zhuǎn)移波長。在Nd的情況下，可以設(shè)想進行Ce-Cr共摻。在缺少除La、Y或Sc以外的稀土元素的情況下，可把Cr作為活化劑。
用Cr來取代部分的Al和/或用Ce、Dy、Tm和三價的Sm或二價的Eu來取代部分的發(fā)光原子，以此作為活化劑型的功能元件，這就可使應(yīng)用本發(fā)明鋁酸鹽單晶的激光器大大提高其效率。
當(dāng)發(fā)光離子數(shù)量增加時，激發(fā)態(tài)E1的壽命降低，相反，當(dāng)發(fā)光離子數(shù)量增加時，熒光的強度也增加，鑒于這一事實，其x值較小的那些單晶，例如其中Nd的x值，接近于0.1的單晶，特別適合用來制造連續(xù)操作的大功率激光器，而那些x值較大的單晶，例如其中Nd的x值為0.2≤x≤0.5的單晶，更適合用來生產(chǎn)脈沖式大功率激光器。
下文的實施方案和附圖將更詳細(xì)地描述本發(fā)明。
圖1是使用本發(fā)明鋁酸鹽單晶的連續(xù)激光器示意圖。
圖2是使用本發(fā)明鋁酸鹽單晶的脈沖大功率激光器示意圖。
按本發(fā)明及通式Ⅰ制備混合鑭系鋁酸鹽的描述如下。根據(jù)所需要的比例，把高純度的市場上可以買到的La、Tr、Mg、Al和Cr的氧化物粉末充分混合，然后在1500℃左右焙燒，就可獲得這種鋁酸鹽。把所得產(chǎn)物磨細(xì)成粉末后可以進一步處理，以便制得單晶。
用共沉淀法沉淀La、Tr、Mg、Al和Cr的無定形氫氧化物也可制取這種鋁酸鹽的粉末。共沉淀與氨在水溶液或非水溶液(如無水乙醇)中進行，該溶液中含有這種鋁酸鹽的不同元素的硝酸鹽或氯化物的混合物。Mg、Al和Cr的硝酸鹽或氯化物是采用市售商品，其它金屬的硝酸鹽或氯化物可用相應(yīng)元素的氧化物分別溶于硝酸或鹽酸中而制得。
然后，把得到的混合物在400℃下通風(fēng)處理，直至脫水和氯化銨或硝酸銨全部消除。接著在1500℃下焙燒。經(jīng)磨細(xì)得到的粉末可以進一步處理以便制取單晶。
為了得到最高效的激光發(fā)射體，所使用的各元素的氧化物粉末粒徑應(yīng)為1-10微米，其純度應(yīng)在99.99%以上。
較為可取的是，本發(fā)明采用切克勞斯基提拉法制備鋁酸鹽的單晶。但是，使用熔體的其它結(jié)晶法亦可采用，如懸浮區(qū)熔法，布里茲曼法、火焰熔融法(維爾納葉法)、凱羅普洛斯法或自動坩堝法，這些方法經(jīng)過改進或不經(jīng)改進就可使用。下面將描述本發(fā)明采用眾所周知的切克勞斯基提拉法從鋁酸鹽制取單晶的過程。
如上文所述的，用共沉淀法或充分混合后加熱處理得到的混合鋁酸鹽粉末在研磨后放置在銥坩堝中，然后升至熔點(1810℃)，在隔絕空氣下使其轉(zhuǎn)變成熔體。
取一種與熔體有相同組分的并被平行切割(即沿晶體學(xué)的方向c或說沿化合物六方晶格的方向a切割)而成的單晶核與熔體接觸，然后慢慢地從熔體中一邊旋轉(zhuǎn)一邊提拉，單晶就是如此地在晶核的末端沿晶核給出的晶向逐漸地形成。用這一方法可以制備大量大直徑的并具有激光效應(yīng)的單晶。
特別是，這種方法可以制備出通式(a)La1-xTrxMg1-tAl11O19-t的單晶，式中Tr代表Pr、Ho、Er、Tm、Ce-Nd對、Ce-Pr對、Ce-Ho對、Ce-Er對、Pr-Sm對、Pr-Dy對或Pr-Tm對。
這些鋁酸鹽符合通式Ⅰ中的C＝y(tǒng)＝u＝z＝o，鎂的欠缺量用氧的空額來調(diào)整。按本發(fā)明及依照通式(a)所制取的鋁酸鹽單晶的實施例如下
La0.95Pr0.05Mg0.75Al11O18.75La0.95Ho0.05Mg0.75Al11O18.75La0.95Er0.05Mg0.75Al11O18.75La0.95Tm0.05Mg0.75Al11O18.75La0.90Ce0.005Nd0.095Mg0.5Al11O18.5La0.90Ce0.005Ho0.095Mg0.75Al11O18.75La0.95Ce0.0025Er0.0025Mg0.75Al11O18.75La0.80Pr0.15Sm0.05Mg0.75Al11O18.75La0.90Pr0.05Sm0.05Mg0.75Al11O18.75La0.90Pr0.05Dy0.05Mg0.05Al11O18.75La0.83Pr0.15Dy0.02Mg0.75Al11O18.75La0.73Pr0.25Tm0.02Mg0.75Al11O18.75La0.90Pr0.08Tm0.02Mg0.75Al11O18.75按本發(fā)明通式(b)La1-xTrxMg1-2Al11+2z/3O19亦可制備具有激光性質(zhì)的鋁酸鹽單晶，式中Tr代表Pr、Ce-Nd對、二價的Pr-Er對和二價的Nd-Er對。
在這些符合通式Ⅰ，Y＝V＝t＝u＝0的鋁酸鹽中，所缺的鎂用過量的鋁來調(diào)整。同樣，當(dāng)使用Pr+3-Eu+2對或Nd+3-Eu+2對時，則可加入等于三分之二〔Eu+2〕的鋁量，就可保持電中性。
制備滿足通式(b)的鋁酸鹽單晶的實施例如下La0.95Pr0.05Mg0.5Al11.333O19La0.90Ce0.005Nd0.095Mg0.5Al11.333O19La0.90Pr0.095Eu20.005Mg0.75Al11.168O19La0.90Nd0.095Eu+20.005Mg0.75Al11.168O19也可制備具有激光效應(yīng)且滿足通式(c)(La1-xTrx)1-vMg1-tAl11O19-t-3v/2的鋁酸鹽單晶，其較大特點是式中Tr代表Nd。這些鋁酸鹽符合通式Ⅰ的y＝z＝u＝0，鑭系元素和鎂的欠缺量用氧的空額來調(diào)整。按通式(c)制備的鋁酸鹽的實例如下(La0.90Nd0.10)0.8Mg0.75Al11O18.45(La0.90Nd0.10)0.8Mg0.8Al11O18.5用滿足通式(d)(La1-xTrx)1-YMg1-zAl11+r+2 /3O19的鋁酸鹽可以制備其它的具有激光效應(yīng)的單晶，較大特點是式中Tr代表Nd或Pr。在Nd的情況下，x最好在0.1-0.5(包括邊界)之間變化，y可以假定為0-0.4，而z最好在0.045-1之間。在這些符合通式Ⅰ中v＝t＝u＝0的鋁酸鹽中，鑭系元素和鎂的欠缺量用過剩的鋁來調(diào)整。按通式(d)所制備的鋁酸鹽單晶的部分實施例如下(La0.95Pr0.05)0.9Mg0.5Al11.433O19(La0.90Nd0.10)0.7Mg0.8Al11.433O19(La0.90Nd0.10)0.9Mg0.5Al11.433O19最后的混合物有最佳組成。這是用切克勞斯基提拉法從一個具有與單晶組成非常相近的熔體中制取的。因此，這一鋁酸鹽具有所謂同成分熔點。用它作能發(fā)射波長1054、1082或1320毫微米的連續(xù)大功率激光器的發(fā)射體是極為理想的。
可以制備按本發(fā)明的其它具有激光效應(yīng)，并符合通式(e)(La1-xTrx)1-vMgAl11O19-3v/2的特點是Tr代表Nd的鋁酸鹽單晶。在這些符合通式Ⅰ的y＝z＝t＝u＝0的鋁酸鹽中，鑭系元素的欠缺量用氧空額來調(diào)整。按通式(e)制備鋁酸鹽的實例有(La0.90Nd0.10)0.9MgAl11O18.85。
按通式(f)(La1-xTrx)1-YMgAl11+YO19可制備其它具有激光效應(yīng)的鋁酸鹽單晶，特點是式中Tr代表釹。在這些符合通式Ⅰ，v＝z＝t＝u＝0的混合物中，鑭系元素的欠缺量用過量的鋁來調(diào)整，按通式(f)制備該鋁酸鹽的例子是(La0.90Nd0.10)0.85MgAl11.15O19。
按通(g)La Tr Mg Al O也可制備具有激光效應(yīng)的單晶，式中Tr代表二價的Er-Pr對或二價的Er-Nd對，并用相當(dāng)于二分之一〔Eu+2〕的氧空額來保持電中性。其實例如下La0.95Pr0.095Eu+20.005MgAl11O18.0075La0.90Nd0.095Eu+20.005MgAl11O18.9975為了提高鋁酸鹽的激光效應(yīng)的效率，在相應(yīng)于通式a、b、c、d、e、f或g的含有釹的鋁酸鹽中，可用鉻代替部分鋁。
同樣，在按照通式a、b、c、d或f制取的鋁酸鹽中，可用Eu+2代替部分的激光活化劑(Pr、Nd)，并以添加鋁或以氧空額來保持電中性。
按通式Ⅰ制取的含有激光敏化劑的鋁酸鹽實施例有(La0.90Ce0.005Nd0.095)0.9Mg0.5Al11.383Cr0.05O19和(La0.90Nd0.10)0.9Mg0.5Al11.383Cr0.05O19后者具有所謂同成分熔點的最佳組成。采用切克勞斯基提拉法可以制備出該材料的大單晶，該單晶非常適于作為能發(fā)射1054、1083或1320毫微米波長的連續(xù)大功率激光器發(fā)射體。
此外，還可制備僅含La作為鑭系元素的本發(fā)明的鋁酸鹽單晶，這時的激光效應(yīng)應(yīng)歸因于鋁酸鹽中存在有鉻。只含鑭作為鑭系元素的鋁酸鹽實施例如下La0.9Mg0.5Al11.383Cr0.05O19該混合物具有同成分熔點的優(yōu)點，因而可制取大的單晶。
如果鋁酸鹽的激光發(fā)射是由鉻引起的，則該材料可用于發(fā)射680-800毫微米可見光范圍的微光發(fā)射體。由于鉻有寬的發(fā)射波帶，該混合物能有效地用于可調(diào)波長的大功率激光器，其操作可以是連續(xù)式的也可是脈沖式的。
圖1展示了使用本發(fā)明鋁酸鹽單晶的連續(xù)大功率激光器。該激光器包含一個激光器腔室2，腔室中有一根本發(fā)明的鋁酸鹽的棒或條4，被垂直安裝在激光器的縱軸3上，這根鋁酸鹽棒4的實施例有
(La0.90Nd0.10)0.9Mg0.5Al11.433O19和(La0.90Nd0.10)0.9Mg0.5Al11.383Cr0.05O19發(fā)射光屬于紅外區(qū)。
該激光器有一單色光源6，(例如一種氪或氬的離子激光器)，它能通過會聚透鏡7照射在鋁酸鹽棒4上，以確保棒4的光泵激。激光腔室2還包括一個會聚透鏡8，使由鋁酸鹽棒4射出的光成為平行光束，該光束直接射至出射鏡10。由于出射鏡10的反射，光束又再通過會聚透鏡8和放大器介質(zhì)或鋁酸鹽棒4。經(jīng)加強后的激光束通過一位于與棒4相鄰的分色入射鏡12的反射，此入射鏡12可透射由單色光源6發(fā)出的光，但對鋁酸鹽單晶4所發(fā)射的光不能透過。
經(jīng)腔室2適量增強的激光束再通過鏡10射出激光器，該鏡10對鋁酸鹽單晶棒4發(fā)射出的光僅部分透過。Nd-Mg鋁酸鹽棒4可以由本發(fā)明的Pr-Mg鋁酸鹽代替，其式為(La0.95Pr0.05)0.9Mg0.5Al11.433O19由此可構(gòu)成發(fā)射可見光譜(特別是紅色與黃色)的連續(xù)的大功率激光器。
同樣，為了獲得寬波長范圍的大功率激光器，可以用含有Ho、Er、Tm(結(jié)合鈰或不結(jié)合鈰)的鋁酸鹽棒代替釹鋁酸鹽棒。特別是，選用含有Ho的鋁酸鹽可發(fā)射出波長從1.5至3微米的激光束，起一種選擇的過渡作用。
此外，也可選用僅含鑭系元素中的鑭制成的鋁酸鹽棒，其式為La0.9Mg0.5Al11.383Cr0.05O19，由此可得連續(xù)大功率激光器，其波長在690-800毫微米范圍內(nèi)是可調(diào)的。
采用波長選擇系統(tǒng)14來調(diào)節(jié)激光器的波長，該系統(tǒng)置于激光器腔空2的聚光透鏡8和出射鏡10之間，它是屬于布魯斯特角棱鏡型或是一種由二片雙折射材料組成的干涉濾波器。
根據(jù)本發(fā)明制備的鋁酸鹽單晶也可用于脈沖式大功率激光器。為此，圖2展示了一種發(fā)射紅外波長的脈沖大功率激光器。該脈沖激光器包含一個腔體14，其中置有本發(fā)明制備的鋁酸鹽單晶棒16，該棒與激光器縱向軸17平行安裝。該鋁酸通式為La1-xNdxMg1-zAl11+2z/3O19，式中0.2＜X＜0.5，0≤z≤0.55。
在單晶棒16兩側(cè)配有與激光器軸17取向一致的長的高強度的氙閃光燈18、20。這兩燈可使鋁鹽棒16產(chǎn)生縱向光泵激。
激光器腔室14還含有四分之一波晶片22，來自棒16的線性偏振入射光通過它變?yōu)閳A偏振光。片22后面為平面鏡24和發(fā)散凸鏡26。經(jīng)鏡26反射的已被改造過的和圓偏振的寬光束再通過四分之一波晶片22，從而得到垂直偏振光束，該光束全部掃過放大介質(zhì)或棒16，同時引出最大光能。
經(jīng)增強的向另一高反射凹鏡28方向傳播的激光束受到偏振棱鏡30的攔阻，后者同時將偏振光束32垂直地射出激光腔室。用一會聚透鏡34即可使其成為一平行光束。
這一脈沖激光器裝有光電開關(guān)36，較具體地稱之為Q1開關(guān)，它位于凹鏡28和出射起偏振鏡30之間。當(dāng)該開關(guān)閉合時，即有一電壓產(chǎn)生，此時激光器不能工作。因此，在“光泵激”情況下，帶有燈18、20及起偏振鏡30的放大器介質(zhì)允許作水平偏振的光子通過，并讓這束光通至開關(guān)36。當(dāng)后者的偏振方向旋轉(zhuǎn)90度時，就阻擋了偏振鏡30透過該光。然而，當(dāng)開啟光電開關(guān)或Q1開關(guān)36時，后者就不再改變從起偏振鏡來的水平偏振光，這就使激光器腔室14只加強來自棒16的光線。
在開關(guān)和起偏振鏡之間可以放置一光闌38，是為激光提供通道的。
如上文所述，為了獲得其它的脈沖大功率激光器，按上述通式并以Pr、Ho、Er、Tm、(結(jié)合鈰)為基的棒可代替釹基棒16。在鏡26和28上僅需配上覆蓋層即可獲得所需激光器的發(fā)射波長。
為了制得波長可調(diào)的激光器，本發(fā)明選用含有作為激光活化劑的鉻的鋁酸鹽，并可在上述的片22和鏡24之間置一波長選擇裝置40。
顯然，上文所述的激光器僅限于闡明的目的，而根據(jù)本發(fā)明通式Ⅰ所制備的鋁酸鹽單晶還可以裝備成其它類型的激光器。
根據(jù)本發(fā)明所制備的鋁酸鹽單晶(其Tr代表釹)可用于目前使用YAG型激光器發(fā)射體的所有激光器。特別是，這種單晶可用于能切割或標(biāo)記材料以及焊接加工的激光器中。材料的切割，如上所述，是通過在激光器腔室中放置一個釹活化的鋁酸鹽單晶，再通過定位，然后將激光器發(fā)出的光聚焦在材料表面，以使材料在光聚焦處達到其熔點，于是隨著激光光束的移動，材料就被切割。除在YAG型激光器中應(yīng)用外，本發(fā)明所提供的含釹鋁酸鹽還可用于有其它特殊用途的激光器。
特別是，本發(fā)明的釹基單晶可放置在一裝有選擇濾波器的激光器腔室內(nèi)，該濾波器可使激光器調(diào)整發(fā)射光波至1.082微米左右。這種光可用來使一種氣體原子(如氦Ⅲ或氦Ⅳ)發(fā)生極化。
在熱核聚變領(lǐng)域中，可以利用氦Ⅱ或Ⅳ的極化以大大提高D-3e＊聚變反應(yīng)的幾率。
按照本發(fā)明所制備的釹基鋁酸鹽單晶在其正常發(fā)射波長1.054微米時，很適宜于在帶有釹活化的氟磷酸鹽或磷酸鹽玻璃棒的激光器系列中作為振蕩器，以用來起動熱核反應(yīng)。
在粒子加速器的領(lǐng)域中，可以利用氦之類氣體的原子極化，以產(chǎn)生粒子加速器中所用的極化離子束。
在磁力測定和陀螺測試領(lǐng)域中，根據(jù)本發(fā)明制備的含有釹基鋁酸鹽單晶的大功率激光器可以改進現(xiàn)有光泵激陀螺儀和磁強計的工作性能，特別是對其消耗、壽命和操縱的性能。在這一特例中，本發(fā)明的激光發(fā)射器也可導(dǎo)致新型磁強儀或陀螺儀的開發(fā)。
本發(fā)明提出的鉻活化的鋁酸鹽具有下述特殊用途。將這種鋁酸鹽的單晶放置在一帶有色散元件(例如棱鏡或晶柵)的激光器腔空內(nèi)，就有可能在680和800毫微米之間作連續(xù)的波長調(diào)諧。此裝置可用于檢測地球大氣中的某些元素。為此目的，波長務(wù)必調(diào)整在與待測試樣相應(yīng)的吸收帶。由障礙物導(dǎo)致激光回波的衰減是與大氣中所含物質(zhì)的量及性質(zhì)成函數(shù)關(guān)系，因此，可用于遙控氣象學(xué)。
權(quán)利要求
1.一種混合的鑭系鎂鋁酸鹽，其中，該鋁酸鹽的通式為(La1-xTrx)1-y-vMg1-z-tAl11-u+y+2z/3CruO19-t-3v/2式中，Tr代表a)至少一種從鑭系元素、Y和Sc中選出的單獨的三價物質(zhì)或b)至少一對由一種二價鑭系元素和一種三價鑭系元素所組成的鑭系元素對，同時加入不足的鋁或氧，或上述任一種由單獨物質(zhì)和元素對的組合物來保持電中性，X代表符合0≤X＜1的一個數(shù)，y和v代表符合0≤y+v≤0.4的兩個數(shù)，z和t代表符合0≤z+t＜1的兩個數(shù)，條件是當(dāng)z+t=0時，y+v≠0或Tr代表一種單獨的三價鑭單元素，u代表在0至2之間的一個數(shù)，條件是當(dāng)Tr代表Y+3或Sc+3時，u≠0，當(dāng)x=0時，u≠0，當(dāng)y=0時，x≠0，其中鋁酸鹽是單相的并且具有磁鉛石的結(jié)構(gòu)。
2.按照權(quán)利要求
1所述的混合鋁酸鹽，其中x≠0，Tr是從Nd、Pr、Er、Ho、Tm、二價Eu-Nd對，二價Eu-Pr對以及Ce-Nd、Ce-Pr、Pr-Sm、Pr-Dy、Pr-Tm、Ce-Er和Ce-Ho對中挑選。
3.按照權(quán)利要求
1所述的一種混合鋁酸鹽，其中x＝0
4.按照權(quán)利要求
1所述的一種混合鋁酸鹽，其中Tr代表釹，并且x在0.2-0.5之間。
5.按照權(quán)利要求
1所述的一種混合鋁酸鹽，其中Tr代表Nd，并且x接近0.1。
6.按照權(quán)利要求
1所述的一種混合鋁酸鹽，其式為(La0.90Nd0.10)0.9Mg0.5Al11.433O19。
7.按照權(quán)利要求
1所述的一種混合鋁酸鹽，其式為(La0.90Nd0.10)0.9Mg0.5Al11.383Cr0.05O19。
8.按照權(quán)利要求
1所述的一種混合鋁酸鹽，其式為(La0.90Ce0.005Nd0.095)0.9Mg0.5Al11.383Cr0.05O19。
9.按照權(quán)利要求
1所述的一種混合鋁酸鹽，其式為La0.9Mg0.5Al11.383Cr0.05O19。
10.一種發(fā)射光譜在紅外范圍的激光器，其中它包含了一種根據(jù)權(quán)利要求
2制備的混合鋁酸鹽單晶，Tr代表至少有部分Nd、Ho或Er。
11.一種可在680-800毫微米之間調(diào)諧的激光器，它包含一種根據(jù)權(quán)利要求
3或9制備的混合鋁酸鹽單晶。
12.一種能發(fā)射可見光譜的激光器，它包含根據(jù)權(quán)利要求
1或2所制備的混合鋁酸鹽單晶，其中Tr至少部分地代表Pr。
專利摘要
一種混合鑭系鎂锃酸鹽的單晶可以用作波長范圍很寬的激光發(fā)射器。該鋁酸鹽的通式如下( La
文檔編號H01S3/16GK87104690SQ87104690
公開日1988年1月27日 申請日期1987年6月15日
發(fā)明者讓-雅克·奧貝爾, 安娜-瑪麗·勒朱斯, 布律諾·維安納, 達尼埃爾·維維安 申請人:法國原子能委員會導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan