CN103696007B - Nd, Er:GSAG激光晶体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种Nd,Er:GSAG激光晶体及其制备方法,该激光晶体的化学式为Nd3+,Er3+:Gd3Sc2Al3O12简写成Nd,Er:GSAG,分子式Nd3xEr3yGd3(1-x-y)Sc2Al5O12,其中0.001≤x≤0.2,0.005≤y≤0.5。通过采用Nd2O3、Er2O3、Gd2O3、Sc2O3、Al2O3作为原料,按所需比例混合、压制成块后,通过固相法获得晶体生长初始原料,然后采用提拉法、温梯法、热交换法、坩埚下降法或者泡生法定向生长制得。Nd3+作为敏化离子能将吸收的能量转移给晶体中的Er3+离子,提高了Nd,Er:GSAG的2.7-2.9μm附近激光的泵浦效率。这个波段的激光在生物医疗、光参量振荡及光电对抗等领域有着重要的应用。
Description
技术领域
本发明属于激光晶体材料领域,具体是关于一种综合性能优良的Nd, Er:GSAG激光晶体及其制备方法。
背景技术
Er3+离子的2.7-3μm波段激光在医疗、科学研究及军事等领域有着重要的应用。但在单掺Er3+的激光材料中,由于Er3+的高效吸收带与目前发展成熟的LD激光波长不匹配,因此泵浦效率较低。为了提高泵浦效率,采用Nd3+离子对Er3+离子进行敏化,把Nd3+离子吸收的能量转移给Er3+离子,由于Nd3+离子在中心波长为808nm波段有非常强的吸收,因此,用Nd3+对Er3+进行有效的敏化,可以大大提高泵浦效率,同时中心波长为808nm的LD激光器是发展成熟的半导体激光器,采用中心波长为808nm的LD激光器作为泵浦源,为Nd,Er:GSAG实现高效激光输出创造了条件。Nd3+离子敏化的Er:GSAG,也可以用中心波长为880nm的半导体激光器泵浦,实现2.7-2.9m的激光输出。此外,由于Nd3+的敏化,Er3+离子激光下能级4I13/2的寿命可以减小,同时由于Er3+离子的激光上能级4I11/2与敏化离子Nd3+之间不发生交叉弛豫,因此Er3+上能级4I11/2的寿命基本不改变,所以采用Nd3+离子对Er:GSAG进行敏化,不仅能提高泵浦效率,降低振荡阈值,而且对于抑制由于激光下能级寿命较长引起的饱和终止也是有利的。
Nd,Er:GSAG晶体可采用中心波长在808nm或880nm的半导体激光泵浦,降低了激光器的复杂程度,有利于设备小型化。另外,通过60Co γ射线辐照实验表明基质GSAG本身具有抗辐射功能,所以Nd,Er:GSAG晶体还可以满足辐射环境和空间环境应用的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Nd, Er:GSAG激光晶体及其制备方法,是采用熔体法生长出大尺寸优质的Nd,Er:GSAG石榴石单晶,实现高效激光输出的抗辐射Nd,Er: GSAG激光晶体。
本发明的技术方案是通过以下方式实现的:2.7-2.9微米Nd, Er:GSAG激光晶体,该晶体的化学式为Nd3+,Er3+:Gd3Sc2Al3O12简写成Nd,Er:GSAG,分子式Nd3xEr3yGd3(1-x-y)Sc2Al5O12,其中0.001≤x≤0.2,0.005≤y≤0.5。
所述的该晶体使用中心波长在808nm或880nm附近的半导体激光作为泵浦源。
一种制备2.7-2.9微米Nd, Er:GSAG激光晶体的方法,包括以下步骤:1)采用固相法制备晶体生长原料、2)加热熔化晶体生长原料、3)选取籽晶、4)定向生长,其特征在于:
1)采用固相法制备晶体生长原料:用Nd2O3、Er2O3、Gd2O3、Sc2O3、Al2O3作为起始原料,按照下述化学反应式
3xNd2O3+3yEr2O3+3(1-x-y)Gd2O3+2Sc2O3+3Al2O3=2Nd3x Er3y Gd(3-3x-3y)Sc2Al3O12
称取各个组分原料,充分混合后,通过冷等静压将混合原料压制成饼后,在1000~1500℃高温烧结12~170个小时,降温到室温,获得晶体生长的初始原料;
2)加热熔化晶体生长原料:将上述的的晶体生长初始原料放入坩埚中,在真空、氮气氛、氩气氛、CO气氛或者含2%体积氧的氮气氛、氩气氛中加热,使原料充分熔化并恒温4~170小时后,获得晶体生长的熔体;
3)选取籽晶:采用不掺杂的钆炕铝石榴石Gd3Sc2Al5O12、掺杂钆炕铝石榴石Nd3x Er3y Gd3(1-x-y)Sc2Al5O12、Nd3x Gd3(1-x)Sc2Al5O12或者Er3y Gd3(1-y)Sc2Al5O12作为籽晶,籽晶方向为<111>、<001>、<100>或<010>;
4)定向生长:将步骤2)的熔体冷心降温至Nd,Er:GSAG熔点后,将Gd3Sc2Al5O12、Nd3x Er3y Gd3(1-x-y)Sc2Al5O12、Nd3x Gd3(1-x)Sc2Al5O12或Er3y Gd3(1-y)Sc2Al5O12作为籽晶,用提拉法、温梯法、热交换法、坩埚下降法或者泡生法进行定向生长,即获得Nd,Er:GSAG激光晶体。
所述的步骤2)中晶体生长过程中存在组分分凝效应,设所述Nd,Er:GSAG晶体中某种元素的有效分凝系数为k,k=0.01-1,则当所述的步骤1)-步骤2)中Nd、Er的化合式中该元素的化合物的质量为W时,则在配料中调整为W/k。
本发明的Nd,Er:GSAG激光晶体适合在空间环境中使用。由于Nd3+离子在808nm有非常强的吸收,而808nm高功率半导体激光器已发展的较为成熟,因此,用Nd3+对Er3+进行有效的敏化,将吸收的能量转移给Er3+离子,可达到提高对泵浦光吸收效率、降低激光振荡阈值及抑制饱和终止的目的。因此,Nd,Er:GSAG晶体有望成为一种半导体激光泵浦适合空间使用的高效激光晶体。用Nd,Er:GSAG晶体产生的2.7-2.9μm波段激光在医疗、科学研究及军事等领域有着重要的应用。除可满地面应用的要求外,还可以满足辐射环境和空间环境应用的需要。
具体实施方式
实施例1:
制备 Nd、Er掺杂浓度分别为1at%、30at%的Nd,Er:GSAGO4单晶:
1、采用Nd2O3、Er2O3、Gd2O3、Sc2O3、Al2O3作为原料,按如下化合式进行配料,取(Eq.1)中的x=0.01/c,y=0.3/ d,设Nd、Er在GSAG晶体生长中其分凝系数分别为c、d,则(Eq.1)化学反应式为
0.03/cNd2O3+0.9/d Er2O3+(3-0.03/c-0.9/d) Gd2O3+2Sc2O3+3Al2O3=
2Nd0.03/c Er0.9/d Gd3 (1-0.01/c-0.3/d)Sc2Al3O12
设T=10.0943 /c+ 344.265/d+(1-0.01/c-0.3/d)×1087.49+581.704,
X=(10.0943 /c)/T,
Y=(344.265/d)/T,
Z=(1-0.01/c-0.3/d)×1087.49/T,
U=275.82 /T,
V=305.884 /T,
设需要制备的原料为W克,则原料各组分的成分如下:
Nd2O3 WX克
Er2O3 WY克
Gd2O3 WZ克
Sc2O3 WU克
Al2O3 WV克
并将这些原料充分混合均匀,得到配料混合物。
2、将混合均匀的原料混合物压制成饼状,在1250℃之间进行烧结,烧结时间为10~48小时,获得晶体生长的初始原料;或者压制成形后的原料不经额外烧结而直接用作生长晶体原料;
3、把晶体生长初始原料放入生长坩埚内,通过加热并充分熔化,获得晶体生长初始熔体;然后采用熔体提拉法晶体生长工艺,用<111>方向的GSAG生长长,获得Nd,Er:GSAG单晶。
Claims (2)
1.Nd, Er:GSAG激光晶体的制备方法,该晶体的化学式为Nd3+,Er3+:Gd3Sc2Al3O12简写成Nd,Er:GSAG,分子式Nd3xEr3yGd3(1-x-y)Sc2Al5O12,其中0.001≤x≤0.2,0.005≤y≤0.5,包括以下步骤:1)采用固相法制备晶体生长原料、2)加热熔化晶体生长原料、3)选取籽晶、4)定向生长;其特征在于:
1)、采用固相法制备晶体生长原料:用Nd2O3、Er2O3、Gd2O3、Sc2O3、Al2O3作为起始原料,按照以下化学反应式 3xNd2O3+3yEr2O3+3(1-x-y)Gd2O3+2Sc2O3+3Al2O3=2Nd3x Er3y Gd(3-3x-3y)Sc2Al3O12
称取各个组分原料,充分混合后,通过冷等静压将混合原料压制成饼后,在1000~1500℃高温烧结12~170个小时,降温到室温,获得晶体生长的初始原料;
2)、加热熔化晶体生长原料:将上述的的晶体生长初始原料放入坩埚中,在真空、氮气氛、氩气氛、CO气氛或者含2%体积氧的氮气氛、氩气氛中加热,使原料充分熔化并恒温4~170小时后,获得晶体生长的熔体;
3)、选取籽晶:采用不掺杂的钆炕铝石榴石Gd3Sc2Al5O12、掺杂钆炕铝石榴石Nd3x Er3y Gd3(1-x-y)Sc2Al5O12、Nd3x Gd3(1-x)Sc2Al5O12或者Er3y Gd3(1-y)Sc2Al5O12作为籽晶,籽晶方向为<111>、<001>、<100>或<010>;
4)、 定向生长:将步骤2)中晶体生长的熔体冷心降温至Nd,Er:GSAG熔点后,将Gd3Sc2Al5O12、Nd3x Er3y Gd3(1-x-y)Sc2Al5O12、Nd3x Gd3(1-x)Sc2Al5O12或Er3y Gd3(1-y)Sc2Al5O12作为籽晶,用提拉法、温梯法、热交换法、坩埚下降法或者泡生法进行定向生长,即获得Nd,Er:GSAG激光晶体。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述的步骤2)中晶体生长过程中存在组分分凝效应,设所述Nd,Er:GSAG晶体中某种元素的有效分凝系数为k,k=0.01-1,则当所述的步骤1)-步骤2)中Nd、Er的化合式中该元素的化合物的质量为W时,则在配料中调整为W/k。
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