專利名稱：一種2.7-3微米激光晶體及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于功能晶體材料領域，具體的說是ー種高效2. 7-3微米Er，Re: YAP激光晶體，其中Re=Pr3+, Eu3+，Ho3+，Tm3+或Tb3+，可以作為激活離子Er3+的能級耦合離子，降低Er3+的激光下能級壽命，可提高2. 7-3微米激光輸出效率和功率。
背景技術：
鉺離子的4111/2 —4113/2躍遷，在不同的基質中可產生2. 7-3 Pm波段的激光，這個波段與水的強吸收峰位置重疊，因而水對它的吸收率特別高，是精細外科手術理想的エ作波段，這ー性質使鉺激光在生物和醫(yī)學領域已得了非常廣泛的應用。另外，用2. 7-3 um的激光泵浦紅外非線性晶體實現光參量振蕩，能夠獲得3 19 y m的高功率紅外光源，可用于光電對抗(干擾)、紅外照明、激光雷達、自由空間通信、化學和生物戰(zhàn)劑的探測、環(huán)境·污染監(jiān)測以及反恐等領域。YAlO3(YAP)晶體是優(yōu)良的固體激光基質材料，它是ー種雙光軸晶體，屬正交晶系，其空間群為Pbnm，該晶體各向異性，使其具有很多優(yōu)點。第一，YAP晶體和YAG(Y3Al5O12)晶體在熱力學及機械性能方面比較相似；第二，當在較高功率泵浦的條件下，YAP晶體的自然雙折射超越熱雙折射而占主導地位，所以可以忽略由于熱雙折射帶來的不利影響；第三，三價稀土離子摻雜的YAP晶體可以產生線性偏振的激光。已有在Er = YAP晶體中，獲得單脈沖能量240mJ的2. 7 y m激光輸出結果的手艮道(Zeng Ruirong et al, A 2. 7 u m Er:YAP laser, Chinese Journal ofLaser, 1990-S1:60-63)。但是由于Er3+激光下能級4I13/2的壽命通常高于激光上能級4111/2，是壽命更長的亞穩(wěn)態(tài)。受激發(fā)射過程中，躍遷下來的粒子積累在4113/2能級上，不利于激光發(fā)射過程中保持足夠的粒子數反轉，因此，不僅激光閾值高，而且激光輸出效率和功率均受到了影響。為了有效減小激光下能級％3/2的壽命，在晶體中摻入能級與4113/2接近的離子，通過離子間的共振能量轉移，也可加快激光下能級粒子的抽空速度。1988年，Huber等人(Huber, et ai, laser pumping oi Ho, Tm, Er garnet laser at room temperature, IEEEJ of Quantum Electronics, 1988，24:920)比較了連續(xù)ニ極管激光器泵浦 Cr, Er:YSGG 和Cr, Er, HoiYSGG晶體的輸出特性，后者斜效率提高。這是由于Ho的5I7能級與4113/2能級接近，加速了激光下能級粒子抽空速率，振蕩過程中激光介質保持了較高的増益。本發(fā)明提出的Er，Re:YAP，其中Re=Pr3+，Eu3+，Ho3+，Tm3+或Tb3+等離子中分別有與Er3+離子的激光下能級4I1372接近的能級，通過能量傳遞可以加速Er3+離子的激光下能級4113/2的粒子抽空速率，減小壽命，在振蕩過程中激光介質可以保持較高的増益，提高效率和功率。YAlO3(YAP)晶體中不含有昂貴的和易揮發(fā)的元素，因此使用YAP做為基質，相對比較經濟。YAP晶體的熱導率(llW/m K)與YAG(13W/m K)相接近。此外，以YAP為基質的激光晶體可以忽略熱雙折射效應帶來的不利影響，還可以實現偏振激光輸出。因此。Er, ReiYAP晶體將會是非常有前途的2. 7-3 u m新型激光晶體。據檢索，目前國內外都還沒有關于Er，Re:YAP (Re=Pr3+, Eu3+，Ho3+，Tm3+或Tb3+)激光晶體的研究報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決問題克服現有技術的不足，提供ー種2. 7-3微米激光晶體及其制備方法，能夠在2. 7-3i!m波段附近實現高效偏振激光輸出的Er, Re: YAP (Re=Pr3+, Eu3+, Ho3+, Tm3+ 或 Tb3+)激光。本發(fā)明的技術解決方案ー種2. 7-3微米激光晶體，所述晶體的分子式為Er, Re: YAP，其中Er是Er3+的簡寫，Re是Pr3+，Eu3+，Ho3+，Tm3+或Tb3+的簡寫，所述Er3+作為激活離子，Pr3+，Eu3+，Ho3+，Tm3+或Tb3+作為Er3+的能級耦合離子，能有效抽空Er3+離子的2. 7-3微米激光下能級4113/2的粒子數，減小激光下能級壽命，有利于降低激光閾值、提高激光輸出效率和功率。所述YAP是鋁酸釔YAlO3的簡寫，其作為基質晶體，為能級耦合離子和激活離子提供ー個晶格場。所述Er3+和Re=Pr3+，Eu3+，Ho3+，Tm3+或Tb3+均是取代基質晶體YAP中的Y3+離子，·其中Er3+最適宜的取代濃度范圍為5-20at%，即0. 05彡x彡0. 2，Re3+最適宜取代濃度范圍為0. lat%_lat%，即0. 001彡X彡0. 01，在最適宜取代濃度范圍內，所述發(fā)明晶體的技術特征最容易實現。所述Er，Re:YAP(Re=Pr3+，Eu3+，Ho3+，Tm3+ 或 Tb3+)晶體不僅適合 970nm 半導體激光器泵浦，而且也適合使用脈沖氙燈作為泵浦源。所述的基質晶體是雙光軸晶體YAP。本發(fā)明的原理Re=Pr3+，Eu3+，Ho3+，Tm3+或Tb3+作為Er3+的能級耦合離子的鋁酸釔(YAlO3)激光晶體，晶體結構屬于正交晶系，分子式為Er，Re: YAP, Er3+和Re=Pr3+, Eu3+，Ho3+，Tm3+或Tb3+均是取代基質晶體YAP中的Y3+離子，其中Er3+最適宜的取代濃度范圍為5_20at%，即0. 05彡X彡0. 2，Re3+最適宜取代濃度范圍為0. lat%_lat%，即
0.001 ^ 0. 01，其主要作用是有效抽空Er3+離子激光下能級4113/2的粒子數，可以降低壽命，減小激光閾值，提高激光輸出效率和功率。因此，Er, Re: YAP有望成為適合LD和脈沖氙燈泵浦的高效激光晶體。用它輸出的2. 7-3 波段激光在醫(yī)療、科學研究及軍事等領域有著重要的應用。稀土摻雜的鋁酸釔YAP激光晶體通常采用熔體法生長單晶，可以采用下述方法獲得尺寸較大且具有實用價值的單晶(I)固相法或液相法制備多晶原料將氧化物原料Er2O3'Re2O3 (Pr203、Eu2O3'Ho2O3'Tm2O3 或 Tb2O3)、Y203、Al2O3 按下列化學反應式xEr203+yRe203+ (1-x-y) Y203+Al203=2ErxReyY (1_x_y) AlO3其中0.05彡X彡0.2,0. 001 ^ y ^ 0.01，通過固相反應法或液相法制得Er, Re: YAP多晶原料；(2)熔體法生長單晶使用上述固相法或液相法制備的Er，Re: YAP多晶原料，采用熔體法制備Er, Re:YAP 單晶。所述固相法制備多晶原料的步驟為
將氧化物原料Er2O3'Re2O3 (Pr203、Eu2O3'Ho2O3'Tm2O3 或 Tb2O3)、Y203、Al2O3 按下列化學反應式xEr203+y Re2O3+ (1-x-y) Y203+Al203=2ErxReyY (1_x_y) AlO3按照設定的x，y分別稱取某一固定值，將稱取的所述各氧化物均勻混合并壓塊，在1250-1350°C空氣條件下燒結24-48小時，可得到Er，ReiYAP多晶原料。所述液相法制備多晶原料為將氧化物原料Er203、Re2O3 (Pr2O3> Eu203、Ho2O3> Tm2O3或Tb2O3)、Y2O3> Al2O3按下列化學反應式xEr203+y Re2O3+ (1-x-y) Y203+Al203=2ErxReyY (1_x_y) AlO3其中按照所述設定的X，y分別稱取某一固定值，將稱取的氧化物分別用HNO3溶解后均勻混合，用液相共沉淀的方法將混合溶液與氨水共滴定，保持PH值在11. 5-12. 5，經共·沉淀后的混合液，用離心機離心得到凝膠狀前驅物，經洗滌，烘干，最后在900-1100°C燒結10-14小時，即可獲得Er，ReiYAP多晶原料。所述熔體法生長單晶的方法為把所述固相法或液相法制備的500-600克Er, Re = YAP多晶原料裝入直徑60_70mm的銥坩堝中，將銥坩堝放入激光晶體提拉爐中，爐膛抽真空(l_5Pa)后充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉/分鐘，生長拉速l_2mm/小吋，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化后再過熱8-12小吋，經過下種，放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最后獲得直徑20-30mm等徑長度80_140mm的Er, Re:YAP 單晶。本發(fā)明與現有技術相比的優(yōu)點在于(I)由于Er3+激光下能級4113/2的壽命通常高于激光上能級4111/2，是壽命更長的亞穩(wěn)態(tài)。受激發(fā)射過程中，躍遷下來的粒子積累在4113/2能級上，不利于激光發(fā)射過程中保持足夠的粒子數反轉。本發(fā)明提出的Er，Re: YAP，其中Re=Pr3+，Eu3+，Ho3+，Tm3+或Tb3+等離子中有與Er3+離子的激光下能級4113/2接近的能級，通過能量傳遞可以加速Er3+離子的激光下能級4113/2的粒子抽空速率，減小壽命，在振蕩過程中激光介質可以保持較高的増益，提高效率和功率。(2)由于YAlO3(YAP)晶體中不含有昂貴的和易揮發(fā)的元素，因此本發(fā)明使用YAP做為基質，相對比較經濟。另外，YAP晶體的熱導率(llff/m-K)與Y3Al5O12 (13W/m.K)也較接近。(3)本發(fā)明以YAP為基質的激光晶體，在較高功率泵浦條件下，由于其自然雙折射遠遠大于熱雙折射，因此可以忽略熱雙折射效應帶來的不利影響，如熱退偏損耗，可以提高光束質量，也能在較高的重復頻率下工作。


圖I是在Er，ReiYAP晶體中，激活離子Er3+與能級耦合離子Re3+(Pr3+、Eu3+、Ho3+、Tm3+或Tb3+)之間的能量傳遞簡圖；圖2是采用半導體激光器作為泵浦源實現本發(fā)明Er，Pr: YAP晶體激光輸出的ー種實驗裝置圖；圖3是采用閃光燈作為泵浦源實現本發(fā)明Er，EuiYAP晶體激光輸出的一種實驗裝置圖。
具體實施例方式下面結合附圖及具體實施例詳細介紹本發(fā)明。但以下的實施例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護范圍應包括權利要求的全部內容，不僅僅限于本實施例。實施例I :生長Er3+的濃度為5at%，Re3+為Pr3+離子，濃度為0. lat%的Er0.05Pr0.001Y0.949A103 日日體附圖I所示在Er，Re: YAP晶體中，激活離子Er3+與能級耦合離子Re3+(Pr3+、Eu3+、Ho3Mm3+或Tb3+)之間的能量傳遞簡圖。通過Er3+的4111/2與4113/2能級間粒子的躍遷，可產生2. 7-3 u m的激光。其中Pr3+是作為激活離子Er3+的能級耦合離子，由于Pr3+的3F4能級與Er3+的4113/2能級位置相接近，因此可以加快Er3+的4113/2能級粒子抽空速率，降低壽命，減小2. 7-3 iim的激光輸出閾值，提高輸出效率和功率。Er, Re:YAP晶體是指Er3+的濃度在5_20at%之間，Re3+離子的摻雜濃度在0. l_lat%·之間。本實施例中Er3+的濃度為5at%，Re3+=Pr3+濃度為0. lat%。將氧化物原料按化學反應式xEr203+yPr203+(1-x-y) Y203+Al203=2ErxPryAl(1_x_y)03稱取，其中x=0. 05, y=0. 001，均勻混合并壓塊，使用固相法在1250°C燒結48小時，可得到Er，Pr: YAP多晶原料。把500克Er，Pr: YAP多晶原料裝入直徑60mm的銥坩堝中，銥坩堝放入激光晶體提拉爐中，爐膛抽真空(l_5Pa)后充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉/分鐘，生長拉速1-2_/小時，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化后再過熱10小吋，經過下種，放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最后獲得直徑25mm等徑長度120mm的Er, Pr:YAP單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發(fā)現晶體在可見光和960-990nm有寬的吸收帶，用970nm半導體激光器激發(fā)得到了 2. 7_3 y m的熒光譜，初步表明該晶體可以用LD泵浦實現高效2. 7-3 u m的激光輸出。實施例2 :生長Er3+的濃度為8at%，Re=Eu3+離子，濃度為0. 3at%的Er0.08Eu0.003Y0.917A103 日日體附圖I所示在Er，Re: YAP晶體中，激活離子Er3+與能級耦合離子Re3+(Pr3+、Eu3+、Ho3Mm3+或Tb3+)之間的能量傳遞簡圖。通過Er3+的4111/2與4113/2能級間粒子的躍遷，可產生2. 7-3 u m的激光。其中Eu3+是作為激活離子Er3+的能級耦合離子，由于Eu3+的7F6能級與Er3+的4113/2能級位置相接近，因此可以加快Er3+的4113/2能級粒子抽空速率，降低壽命，減小2. 7-3 iim的激光輸出閾值，提高輸出效率和功率。Er, Re:YAP晶體是指Er3+的濃度在5_20at%之間，Re3+離子的摻雜濃度在0. l_lat%之間。本實施例中Er3+的濃度為8at%，Re3+=Eu3+濃度為0. 3at%。將氧化物原料按化學反應式xEr203+yEu203+(1-x-y) Y203+Al203=2ErxEuyAl (h_y)03稱取，其中x=0. 08, y=0. 003，均勻混合并壓塊，使用固相法在1300°C燒結36小時，可得到Er，Eu: YAP多晶原料。把550克Er，Eu: YAP多晶原料裝入直徑65mm的銥坩堝中，銥坩堝放入激光晶體提拉爐中，爐膛抽真空(l_5Pa)后充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉/分鐘，生長拉速1-2_/小時，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化后再過熱12小吋，經過下種，放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最后獲得直徑28mm等徑長度90mm的Er, Eu: YAP單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發(fā)現晶體在可見光和960-990nm有寬的吸收帶，用970nm半導體激光器激發(fā)得到了 2. 7_3 y m的熒光譜，初步表明該晶體可以用LD泵浦實現高效2. 7-3 u m范圍的激光輸出。實施例3 :生長Er3+的濃度為10at%，Re=Ho3+離子，濃度為0. 5at%的Ero. IoHo0. Q05Y0.895A103 日日體附圖I所示在Er，Re: YAP晶體中，激活離子Er3+與能級耦合離子Re3+(Pr3+、Eu3+、Ho3Mm3+或Tb3+)之間的能量傳遞簡圖。通過Er3+的4111/2與4113/2能級間粒子的躍遷，可產生2. 7-3 u m的激光。其中Ho3+是作為激活離子Er3+的能級耦合離子，由于Ho3+的5I7能級與Er3+的4113/2能級位置相接近，因此可以加快Er3+的4113/2能級粒子抽空速率，降低壽命，減小2. 7-3 iim的激光輸出閾值，提高輸出效率和功率。Er, Re:YAP晶體是指Er3+的濃度在5_20at%之間，Re3+離子的摻雜濃度在0. l_lat%之間。本實施例中Er3+的濃度為10at%，Re=Ho3+離子，濃度為0. 5at%。將氧化物原料按化·學反應式xEr203+yHo203+ (1-x-y) Y203+Al203=2ErxHoyAl (1_x_y) O3稱取，其中x=0. I, y=0. 005，均勻混合并壓塊，使用固相法在1350°C燒結24小時，可得到Er，Ho: YAP多晶原料。把650克Er，Ho: YAP多晶原料裝入直徑70mm的銥坩堝中，銥坩堝放入激光晶體提拉爐中，爐膛抽真空(l_5Pa)后充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉/分鐘，生長拉速1-2_/小吋，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化后再過熱14小吋，經過下種，放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最后獲得直徑30mm等徑長度80mm的Er, Ho:YAP單晶。通過測量晶體的吸收光譜,發(fā)現晶體在可見光和960-990nm有寬的吸收帶，用970nm半導體激光器激發(fā)得到了 2. 7_3 y m的寬帶熒光譜，初步表明該晶體可以用LD泵浦實現高效2. 7-3 u m范圍的激光輸出。實施例4 :生長Er3+的濃度為15at%，Re=Tm3+離子，濃度為0. 6at%的Er0.15Tm0.006Y0.844A103 日日體附圖I所示在Er，Re: YAP晶體中，激活離子Er3+與能級耦合離子Re3+(Pr3+、Eu3+、Ho3Mm3+或Tb3+)之間的能量傳遞簡圖。通過Er3+的4111/2與4113/2能級間粒子的躍遷，可產生2. 7-3 u m的激光。其中Tm3+是作為激活離子Er3+的能級耦合離子，由于Tm3+的3H4能級與Er3+的4113/2能級位置相接近，因此可以加快Er3+的4113/2能級粒子抽空速率，降低壽命，減小2. 7-3 iim的激光輸出閾值，提高輸出效率和功率。Er, Re:YAP晶體是指Er3+的濃度在5_20at%之間，Re3+離子的摻雜濃度在0. l_lat%之間。本實施例中Er3+的濃度為15at%，Re3+=Eu3+濃度為0. 6at%。將氧化物原料按化學反應式xEr203+yTm203+ (1-x-y) Y203+Al203=2ErxTmyAl (1_x_y) O3稱取，其中x=0. 15，y=0. 006，均勻混合并壓塊，使用固相法在1350°C燒結24小時，可得到Er，Ho: YAP多晶原料。把650克Er，Ho: YAP多晶原料裝入直徑70mm的銥坩堝中，銥坩堝放入激光晶體提拉爐中，爐膛抽真空(l_5Pa)后充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉/分鐘，生長拉速1-2_/小時，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化后再過熱14小吋，經過下種，放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最后獲得直徑30mm等徑長度80mm的Er, Ho:YAP單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發(fā)現晶體在可見光和960-990nm有寬的吸收帶，用970nm半導體激光器激發(fā)得到了 2. 7-3 u m0實施例5:生長 Er3+ 的濃度為 20at%，Re=Tb3+ 濃度為 lat% 的 Er。. 2Tb0.01Y0.79A103 晶體附圖I所示在Er，Re: YAP晶體中，激活離子Er3+與能級耦合離子Re3+(Pr3+、Eu3+、Ho3Mm3+或Tb3+)之間的能量傳遞簡圖。通過Er3+的4111/2與4113/2能級間粒子的躍遷，可產生2. 7-3 u m的激光。其中Tb3+是作為激活離子Er3+的能級耦合離子，由于Tb3+的7Ftl能級與Er3+的4113/2能級位置相接近，因此可以加快Er3+的4113/2能級粒子抽空速率，降低壽命，減小2. 7-3 iim的激光輸出閾值，提高輸出效率和功率。Er, Re:YAP晶體是指Er3+的濃度在5_20at%之間，Re3+離子的摻雜濃度在0. l_lat%之間。本實施例中Er3+的濃度為20at%，Re3+=Tb3+濃度為lat%。將氧化物原料按化學反應式xEr203+yTb203+ (1-x-y) Y203+Al203=2ErxTbyAl (1_x_y) O3·其中x=0. 2，y=0. 01，將稱取的氧化物分別用適量HNO3溶解后均勻混合，用液相共沉淀的方法將混合溶液與氨水共滴定，保持PH值在12±0. 5左右，經共沉淀后的混合液，用離心機離心得到凝膠狀前驅物，經洗滌，烘干，最后在1000°C燒結12小時可獲得Er，TbiYAP多晶原料。把600克Er，Tb = YAP多晶原料裝入直徑60mm的銥坩堝中，銥坩堝放入激光晶體提拉爐中，爐膛抽真空(l_5Pa)后充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉/分鐘，生長拉速l-2mm/小吋，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化后再過熱12小時，經過下種，放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最后獲得直徑20_等徑長度140_的Er，TbiYAP單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發(fā)現晶體在可見光和960-970nm范圍有寬的吸收帶，用970nm波長半導體激光器激發(fā)得到了 2. 7_3 y m的熒光譜，初歩表明該晶體可以用LD泵浦實現高效2. 7-3 u m范圍的激光輸出。實施例6:生長 Er3+ 的濃度為 20at%，Re=Pr3+濃度為 0. lat% 的 Er。. 2PrQ. CltllYa 799AlO3晶體附圖I所示在Er，Re: YAP晶體中，激活離子Er3+與能級耦合離子Re3+(Pr3+、Eu3+、Ho3Mm3+或Tb3+)之間的能量傳遞簡圖。通過Er3+的4111/2與4113/2能級間粒子的躍遷，可產生2. 7-3 u m的激光。其中Pr3+是作為激活離子Er3+的能級耦合離子，由于Pr3+的3F4能級與Er3+的4113/2能級位置相接近，因此可以加快Er3+的4113/2能級粒子抽空速率，降低壽命，減小2. 7-3 iim的激光輸出閾值，提高輸出效率和功率。Er, Re:YAP晶體是指Er3+的濃度在5_20at%之間，Re3+離子的摻雜濃度在0. l_lat%之間。本實施例中Er3+的濃度為20at%，Re3+=Pr3+濃度為0. lat%。將氧化物原料按化學反應式xEr203+yPr203+(1-x-y) Y203+Al203=2ErxPryAl(1_x_y)03稱取，其中x=0. 2，y=0. 001，均勻混合并壓塊，使用固相法在1250°C燒結48小時，可得到Er，Pr: YAP多晶原料。把500克Er，Pr: YAP多晶原料裝入直徑60mm的銥坩堝中，銥坩堝放入激光晶體提拉爐中，爐膛抽真空(l_5Pa)后充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉/分鐘，生長拉速1-2_/小時，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化后再過熱10小吋，經過下種，放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最后獲得直徑25mm等徑長度IOOmm的Er, Pr:YAP單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發(fā)現晶體在可見光和960-990nm范圍有寬的吸收帶，用970nmLD激發(fā)得到了 2. 7-3 U m的熒光譜，初步表明該晶體可以用LD泵浦實現高效2. 7-3 iim范圍的激光輸出。實施例7:生長 Er3+ 的濃度為 15at%，Re=Eu3+ 濃度為 0. 3at% 的 Er。. 15Eu0.003Y0.847A103晶體附圖I所示在Er，Re: YAP晶體中，激活離子Er3+與能級耦合離子Re3+(Pr3+、Eu3+、Ho3Mm3+或Tb3+)之間的能量傳遞簡圖。通過Er3+的4111/2與4113/2能級間粒子的躍遷，可產生2. 7-3 u m的激光。其中Eu3+是作為激活離子Er3+的能級耦合離子，由于Eu3+的7F6能級與Er3+的4113/2能級位置相接近，因此可以加快Er3+的4113/2能級粒子抽空速率，降低壽命，減小2. 7-3 iim的激光輸出閾值，提高輸出效率和功率。Er, Re:YAP晶體是指Er3+的濃度在5_20at%之間，Re3+離子的摻雜濃度在0. l_lat%之間。本實施例中Er3+的濃度為15at%，Re3+=Eu3+濃度為0. 3at%。將氧化物原料按化學反應式·xEr203+yEu203+ (1-x-y) Y203+Al203=2ErxEuyAl (1_x_y) O3稱取，其中x=0. 15，y=0. 003，均勻混合并壓塊，使用固相法在1300°C燒結36小時，可得到Er，Eu: YAP多晶原料。把550克Er，Eu: YAP多晶原料裝入直徑65mm的銥坩堝中，銥坩堝放入激光晶體提拉爐中，爐膛抽真空(l_5Pa)后充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉/分鐘，生長拉速1-2_/小時，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化后再過熱12小吋，經過下種，放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最后獲得直徑28mm等徑長度90mm的Er, Eu: YAP單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發(fā)現晶體在可見光和960-990nm范圍有寬的吸收帶，用970nm波長LD激發(fā)得到了 2. 7-3 u m的熒光譜，初步表明該晶體可以用LD泵浦實現高效2. 7-3 u m范圍的激光輸出。實施例 8:生長 Er3+ 的濃度為 10at%，Re=Ho3+ 濃度為 0. 5at% 的 Er。.抑。.005Y0.895A103晶體附圖I所示在Er，Re: YAP晶體中，激活離子Er3+與能級耦合離子Re3+(Pr3+、Eu3+、Ho3Mm3+或Tb3+)之間的能量傳遞簡圖。通過Er3+的4111/2與4113/2能級間粒子的躍遷，可產生2. 7-3 u m的激光。其中Ho3+是作為激活離子Er3+的能級耦合離子，由于Ho3+的5I7能級與Er3+的4113/2能級位置相接近，因此可以加快Er3+的4113/2能級粒子抽空速率，降低壽命，減小2. 7-3 iim的激光輸出閾值，提高輸出效率和功率。Er, Re:YAP晶體是指Er3+的濃度在5_20at%之間，Re3+離子的摻雜濃度在0. l_lat%之間。本實施例中Er3+的濃度為10at%，Re3+=Ho3+濃度為0. 5at%。將氧化物原料按化學反應式xEr203+yHo203+(1-x-y) Y203+Al203=2ErxHoyAl(1_x_y)03稱取，其中x=0. I, y=0. 005，均勻混合并壓塊，使用固相法在1350°C燒結24小時，可得到Er，Ho: YAP多晶原料。把600克Er，Ho: YAP多晶原料裝入直徑70mm的銥坩堝中，銥坩堝放入激光晶體提拉爐中，爐膛抽真空(l_5Pa)后充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉/分鐘，生長拉速1-2_/小吋，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化后再過熱14小吋，經過下種，放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最后獲得直徑30mm等徑長度80mm的Er, Ho:YAP單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發(fā)現晶體在可見光和960-990nm范圍有寬的吸收帶，用970nm波長LD激發(fā)得到了 2. 7-3 u m的熒光譜，初步表明該晶體可以用LD泵浦實現高效2. 7-3 u m范圍的激光輸出。實施例9:生長 Er3+ 的濃度為 8at%，Re=Tm3+ 濃度為 0. 6at% 的 Er。. 08Ho0.006Y0.814A103晶體附圖I所示在Er，Re: YAP晶體中，激活離子Er3+與能級耦合離子Re3+(Pr3+、Eu3+、Ho3Mm3+或Tb3+)之間的能量傳遞簡圖。通過Er3+的4111/2與4113/2能級間粒子的躍遷，可產生2. 7-3 u m的激光。其中Tm3+是作為激活離子Er3+的能級耦合離子，由于Tm3+的3H4能級與Er3+的4113/2能級位置相接近，因此可以加快Er3+的4113/2能級粒子抽空速率，降低壽命，減小2. 7-3 iim的激光輸出閾值，提高輸出效率和功率。Er, Re:YAP晶體是指Er3+的濃度在5_20at%之間，Re3+離子的摻雜濃度在0. l_lat%之間。本實施例中Er3+的濃度為10at%，Re3+=Tm3+濃度為0. 6at%。將氧化物原料按化學反應式
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xEr203+yTm203+ (1-x-y) Y203+Al203=2ErxTmyAl (1_x_y) O3稱取，其中x=0. I, y=0. 006，均勻混合并壓塊，使用固相法在1350°C燒結24小時，可得到Er，Tm: YAP多晶原料。把600克Er，Tm: YAP多晶原料裝入直徑70mm的銥坩堝中，銥坩堝放入激光晶體提拉爐中，爐膛抽真空(l_5Pa)后充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉/分鐘，生長拉速1-2_/小吋，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化后再過熱14小吋，經過下種，放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最后獲得直徑20mm等徑長度140mm的Er, Tm: YAP單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發(fā)現晶體在可見光和960-990nm范圍有寬的吸收帶，用970nm波長LD激發(fā)得到了 2. 7_3 y m的熒光譜，初步表明該晶體可以用LD泵浦實現高效2. 7-3 u m范圍的激光輸出。實施例 10:生長 Er3+ 的濃度為 5at%，Re=Tb3+ 濃度為 lat% 的 Er。. 05Tb0.01Y0.94A103 晶體附圖I所示在Er，Re: YAP晶體中，激活離子Er3+與能級耦合離子Re3+(Pr3+、Eu3+、Ho3Mm3+或Tb3+)之間的能量傳遞簡圖。通過Er3+的4111/2與4113/2能級間粒子的躍遷，可產生2. 7-3 u m的激光。其中Tb3+是作為激活離子Er3+的能級耦合離子，由于Tb3+的7Ftl能級與Er3+的4113/2能級位置相接近，因此可以加快Er3+的4113/2能級粒子抽空速率，降低壽命，減小2. 7-3 iim的激光輸出閾值，提高輸出效率和功率。Er, Re:YAP晶體是指Er3+的濃度在5_50at%之間，Re3+離子的摻雜濃度在0. l_5at%之間。本實施例中Er3+的濃度為5at%，Re3+=Tb3+濃度為lat%。將氧化物原料按化學反應式xEr203+yTb203+ (1-x-y) Y203+Al203=2ErxTbyAl (1_x_y) O3其中x=0. 05, y=0. 01，均勻混合并壓塊，使用固相法在1300°C燒結36小時，可得到Er, Tb: YAP多晶原料。把600克Er，Tb: YAP多晶原料裝入直徑70mm的銥坩堝中，銥坩堝放入激光晶體提拉爐中，爐膛抽真空(l_5Pa)后充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉/分鐘，生長拉速l-2mm/小吋，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化后再過熱14小吋，經過下種，放肩，等徑，提晶，降溫等過程，最后獲得直徑30_等徑長度80mm的Er，TbiYAP單晶。通過測量晶體的吸收光譜，發(fā)現晶體在可見光和960_990nm范圍有寬的吸收帶，用970nm波長LD激發(fā)得到了 2. 7-3 u m的熒光譜，初歩表明該晶體可以用LD泵浦實現高效2. 7-3 u m范圍的激光輸出。
實施例11:實現Er，Pr: YAP晶體2. 7-3 U m波段激光輸出的一種實驗裝置采用970nm半導體激光器泵浦Er，Pr: YAP (Er3+的取代濃度為10at%，Pr3+的取代濃度為0. 5at%)的晶體元件。實驗裝置如圖2。圖中2是Er，PriYAP長方體晶體激光元件(3mmX 3mmX 6mm) ; 2是970nm半導體激光器；3是對2. 7-3 u m附近波長全反射對970nm全透射的介質鏡；4是對2. 7-3 u m附近波長部分透射對970nm全反射的介質鏡；5是激光能量計；6是聚焦透鏡。實施例12:實現Er，Eu: YAP晶體2. 7-3 u m波段附近激光輸出的一種實驗裝置采用脈沖氙燈泵浦Er，Eu: YAP (Er3+的取代濃度為10at%，Eu3+的取代濃度為0. 5at%)的晶體元件。實驗裝置如圖3。圖3中，a是Er，Eu = YAP晶體激光棒(0 6mmX 100mm) ;b是閃光燈；c是對2. 7-3 u m附近波長全反射的介質鏡；d是對2. 7-3 u m附近波長部分透射的介質鏡；e是激光能量計。
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總之，本發(fā)明可獲得在2. 7-3 Pm高效偏振激光，這種波段的激光在醫(yī)療、科學研究及軍事等領域有著重要的應用。需要說明的是，按照本發(fā)明上述各實施例，本領域技術人員是完全可以實現本發(fā)明獨立權利要求及從屬權利的全部范圍的，實現過程及方法同上述各實施例；且本發(fā)明未詳細闡述部分屬于本領域公知技木。以上所述，僅為本發(fā)明部分具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本領域的人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種2. 7-3微米激光晶體，其特征在于所述晶體的分子式為Erx，Rey:Y(1_x_y)A103，簡寫成Er，Re: YAP，其中Er是稀土離子Er3+的簡寫，起到激活離子的作用；Re是稀土離子Pr3+、Eu3+、Ho3+、Tm3+或Tb3+的簡寫，作為Er3+的能級耦合離子，能有效抽空Er3+離子的2. 7-3微米激光下能級4113/2的粒子數，降低壽命，有利于減小激光閾值、提高激光輸出效率和功率；所述YAP是鋁酸釔YAlO3的簡寫，作為基質晶體，為敏化離子和激活離子提供一個晶格場；其中 0. 01 ≤ X ≤ 0. 5,0. 001 ≤ y ≤ 0. 05。
2.根據權利要求I所述的2.7-3微米激光晶體，其特征在于所述Er3+的最適宜濃度范圍為5-20at%，即0. 05≤X≤0. 2，Re3+的最適宜濃度范圍為0. l_lat%，即0. 001≤y≤0. 01。
3.根據權利要求I所述的2.7-3微米激光晶體，其特征在于所述Er，Re:YAP晶體適合970nm半導體激光器泵浦，或適合使用脈沖氙燈作為泵浦源。
4.根據權利要求I所述的2.7-3微米激光晶體，其特征在于所述基質晶體是雙光軸晶體YAP。
5.一種權利要求I所述2. 7-3微米激光晶體的制備方法，其特征在于實現步驟如下 (1)固相法或液相法制備多晶原料將氧化物原料 Er2O3' Re2O3 (Pr2O3> Eu203、Ho203、Tm2O3 或 Tb2O3)、Y2O3> Al2O3 按下列化學反應式 xEr203+yRe203+(l-x-y) Y203+Al203=2ErxReyY(1_x_y)A103 其中x，y的濃度值分別為0. 05 < X < 0. 2，0. 001 < y < 0. 01，通過固相反應法或液相法制得Er，ReiYAP多晶原料； (2)熔體法生長單晶 使用上述固相法或液相法制備的Er，Re = YAP多晶原料，再采用熔體法制備Er，ReiYAP單晶。
6.根據權利要求5所述的2.7-3微米激光晶體的制備方法，其特征在于所述固相法制備多晶原料的步驟為將氧化物原料 Er203、Re2O3 (Pr203> Eu2O3> Ho2O3> Tm2O3 或 Tb2O3)、Y2O3> Al2O3,按下列化學反應式 xEr203+yRe203+(l-x-y) Y203+Al203=2ErxReyY(1_x_y)A103 按照設定的x，y范圍分別取某一固定值稱取，將所稱取的所述各氧化物均勻混合并壓塊，在1250-1350°C空氣條件下燒結24-48小時，可得到Er，ReiYAP多晶原料。
7.根據權利要求5所述的2.7-3微米激光晶體的制備方法，其特征在于所述液相法制備多晶原料的步驟為將氧化物原料 Er2O3' Re2O3 (Pr2O3> Eu203、Ho203、Tm2O3 或 Tb2O3)、Y2O3> Al2O3 按下列化學反應式制備 xEr203+yRe203+(l-x-y) Y203+Al203=2ErxReyY(1_x_y)A103 按照所述設定的x，y范圍分別取某一固定值稱取，將所稱取的各氧化物分別用HNO3溶解后均勻混合，用液相共沉淀的方法將混合溶液與氨水共滴定，保持PH值在11. 5-12. 5，經共沉淀后的混合液，用離心機離心得到凝膠狀前驅物，經洗滌，烘干，最后在900-110(TC燒結10-14小時，即可獲得Er，ReiYAP多晶原料。
8.根據權利要求5所述的2.7-3微米激光晶體的制備方法，其特征在于所述熔體法制備Er, Re:YAP單晶的方法為把所述固相法或液相法制備的500-600克Er，ReiYAP多晶原料裝 入直徑60-70mm的銥坩堝中，將銥坩堝放入激光晶體提拉爐中，爐膛抽真空后充入氮氣作為保護氣體，用YAP單晶做生長籽晶，籽晶轉速為5-10轉/分鐘，生長拉速l_2mm/小時，使用感應加熱法將原料熔化，原料熔化后再過熱8-12小時，在合適的溫度下將籽晶伸入熔體，當籽晶穩(wěn)定后，進行晶體放肩、等徑階段，當等徑得到所需的晶體長度后，將晶體提拉出液面，緩慢降至室溫，最后獲得直徑20-30mm等徑長度80-140mm的Er，Re: YAP單晶。
全文摘要
一種2.7-3微米激光晶體及其制備方法，所述晶體的分子式為Er,Re:YAP，其中Er是Er3+的簡寫，起到激活離子的作用，Re=Pr3+、Eu3+、Ho3+、Tm3+或Tb3+，可作為激活離子Er3+的能級耦合離子，能有效抽空Er3+離子的2.7-3微米激光下能級4I13/2的粒子數，降低能級壽命，減小激光閾值、提高激光輸出效率和功率。所述YAP是鋁酸釔YAlO3的簡寫，其作為基質晶體，為能級耦合離子和激活離子提供一個晶格場。本發(fā)明可獲得在2.7-3μm高效偏振激光，這種波段的激光在醫(yī)療、科學研究及軍事等領域有著重要的應用。
文檔編號C30B15/00GK102787357SQ20121028849
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月14日 優(yōu)先權日2012年8月14日
發(fā)明者劉文鵬, 孫敦陸, 張會麗, 張慶禮, 李為民, 殷紹唐, 秦清海, 程毛杰, 羅建喬, 陳家康, 韓松 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院