專利名稱：Nd³⁺離子敏化的抗輻射激光晶體Nd,Er:GSGG及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功能晶體材料領(lǐng)域,具體的說(shuō)是一種具有抗輻射性能的Nc^+敏化E一+的 釓鈧鎵石榴石激光晶體(Nd，Er:GSGG)及其制備方法。
背景技術(shù)：
在輻射環(huán)境和空間環(huán)境中應(yīng)用的激光器會(huì)受到y(tǒng)射線和宇宙射線等高能粒子的輻射,
從而要求激光器具有抗高能射線輻射的能力,因此高效抗輻射激光材料對(duì)于輻射環(huán)境和 空間環(huán)境激光技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。
釓鈧鎵石榴石晶體Gd3Sc2Ga3C^(GSGG)是性能優(yōu)良的激光工作基質(zhì)，晶體結(jié)構(gòu)屬 于立方晶系，可以采用熔體提拉法生長(zhǎng)出高光學(xué)質(zhì)量的單晶。Zharikov(E.V. Zharikov,et al. Effect of UV-and y-irradiation on the lasing characteristics of neodymium lasers,丑m//. Jcarf.
C/5S及,<S"， 1984,48:103)等人的實(shí)驗(yàn)證明，Nd,Cr:GSGG激光器在受到紫外線或 lOMmd的6QCoY射線輻照后，其激光性能幾乎不受影響，而Nd:YAG(Y3AlsCh2)激光器在 受到1Mrad的y射線輻照后，其激光輸出下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)。我們的6QCoY射線輻照實(shí)驗(yàn) 也證明了 GSGG基質(zhì)優(yōu)良的抗輻射性能。文獻(xiàn)(Y.N.Xu,et al. Electronic structure and bonding in garnet Gd3Sc2Ga3O12，Gd3Sc2Al3C)12 and Gd3Ga5()12 compared to Y3AI5O12, i^"/cfl/及evfewfi, 2000,61:1817)對(duì)GSGG晶體抗輻射機(jī)制的研究認(rèn)為，位于八面氧配位 體中心的Sc原子與GGG、 YAG晶體中相同位置的Ga和Al原子相比，具有較高的共價(jià) 特點(diǎn)及鍵的有序性，使抵抗色心形成的能力增強(qiáng)，是GSGG晶體具有強(qiáng)抗輻射能力的原 因。
E一+離子的2.7-3pm波段激光在醫(yī)療、科學(xué)研究及軍事等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。但 在單摻E一+的激光材料中，由于E^+的高效吸收帶與目前發(fā)展成熟的LD激光波長(zhǎng)不匹
配，因此泵浦效率較低。為了提高泵浦效率，采用Nd3+離子對(duì)E一+離子進(jìn)行敏化，把 Nd^離子吸收的能量轉(zhuǎn)移給E^+離子，由于Nd3+離子在中心波長(zhǎng)為808nm波段有非常強(qiáng)的吸收，因此，用Nd"對(duì)Er"進(jìn)行有效的敏化，可以大大提高泵浦效率，同時(shí)中心波
長(zhǎng)為808nm的LD激光器是發(fā)展成熟的半導(dǎo)體激光器，采用中心波長(zhǎng)為808nm的LD激 光器作為泵浦源，為Nd,EnGSGG實(shí)現(xiàn)高效激光輸出創(chuàng)造了條件。Nd"離子敏化的 Er:GSGG，也可以用中心波長(zhǎng)為880nm的半導(dǎo)體激光器泵浦，實(shí)現(xiàn)2.7-2.8m的激光輸 出。此外，由于Nd"的敏化，Ei^離子激光下能級(jí)、3/2的壽命可以減小幾十倍，同時(shí)由
于E一+離子的激光上能級(jí)41|1/2與敏化離子Nd^之間不發(fā)生交叉弛豫，因此Ef3+上能級(jí)
"In/2的壽命基本不改變，所以采用Nc^+離子對(duì)EnGSGG進(jìn)行敏化，不僅能提高泵浦效 率，降低振蕩閾值，而且對(duì)于抑制由于激光下能級(jí)壽命較長(zhǎng)引起的飽和終止也是有利的。 Nd，Er:GSGG晶體可采用中心波長(zhǎng)在808nm或880nm的半導(dǎo)體激光泵浦，能大大降 低激光器的復(fù)雜程度,有利于設(shè)備小型化，這對(duì)于在輻射環(huán)境和空間環(huán)境中的應(yīng)用是非常 重要的。由于基質(zhì)GSGG本身具有抗輻射功能，所以Nd，Er:GSGG晶體是一種高效抗輻 射的激光材料，除可滿地面應(yīng)用的要求外,還可以滿足輻射環(huán)境和空間環(huán)境應(yīng)用的需要。 在上世紀(jì)七八十年代，由于當(dāng)時(shí)Sc203原料非常昂貴，從而限制了含鈧石榴石晶體 的研究和發(fā)展。近年來(lái)，隨著應(yīng)用需求和提取技術(shù)的迅速發(fā)展，Sc203的價(jià)格有了較大 幅度的降低。所以，近些年來(lái)，國(guó)外含鈧石榴石晶體的研究又重新興起，盡管如此，據(jù) 檢氣目前國(guó)內(nèi)外都還沒(méi)有關(guān)于Nd,Er: GSGG激光晶體的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于公開(kāi)一種能夠在2.7-2.8pm實(shí)現(xiàn)高效激光輸出的抗輻射激光晶體 Nd，Er:GSGG及其制備方法。 本發(fā)明的技術(shù)方案
NdS+離子敏化的抗輻射激光晶體Nd，EnGSGG，其特征在于所述晶體的化學(xué)式為 Nd3+,Er3+:Gd3Sc2Ga3012，分子式Nd3xEr3yGd3(1-x.y)Sc2Ga5012，其中0<x,y<l (可簡(jiǎn)寫成 Nd,Er:GSGG)， NcP作為敏化離子把吸收的能量轉(zhuǎn)移給晶體中的E^+離子，提高了晶體 在2.7-2.8pm附近激光的泵浦效率。
所述晶體是以抗輻射晶體GSGG為基質(zhì)的激光晶體。
其中N(P和E一+都是取代晶體中十二面體中心位置的Gd3+， NcT的取代濃度為 0.5-10at%， Er3+的取代濃度為30-50at%。
所述的Nd"敏化的抗輻射激光晶體Nd，Er:GSGG的制備方法，其特征在于(1) 、采用固相法或液相法制備所述品體的多晶原料， 所述固相法是按照下列化學(xué)反應(yīng)式
3xNd203+3yEr203+3(l-x-y)Gd203+2Sc203+3Ga203=2Nd3xEr3yGd(3.3x-3y)Sc2Ga3Ol2，其中 x=0.5-10at%， y=30-50at%，通過(guò)固相反應(yīng)法制得所述晶體的多晶原料； 所述液相法指共沉淀法或溶膠-凝膠法；
(2) 、使用(1)制備的多晶原料，采用熔體法制備Nd,EnGSGG單晶。 所述晶體溫除可用常規(guī)的閃光燈泵浦外，還可使用中心波長(zhǎng)在808nm或880nm附
近的半導(dǎo)體激光作為泵浦源。
通常采用熔體法生長(zhǎng)Nd,Er:GSGG石榴石單晶，這種方法可以生長(zhǎng)出尺寸較大的具 有實(shí)用價(jià)值的單晶；也可以采用水熱法等方法制備。
本發(fā)明提供一種抗輻射NdS+敏化的釓鈧鎵石榴石激光晶體(Nd,Er:GSGG)，晶體結(jié)構(gòu) 屬于立方晶系,可以采用熔體提拉法生長(zhǎng)出高光學(xué)均勻性的晶體。GSGG含鈧石榴石晶體 是一種強(qiáng)的抗輻射材料,比YAG更適合在空間環(huán)境中使用。由于Nd3+離子在808nm有非 常強(qiáng)的吸收，而808nm高功率半導(dǎo)體激光器已發(fā)展的較為成熟，因此，用Nd3、f Er3+ 進(jìn)行有效的敏化，把吸收的能量轉(zhuǎn)移給Er"離子,可達(dá)到提高對(duì)泵浦光吸收效率、降低激 光振蕩閾值及抑制飽和終止的目的。因此，Nd，Er:GSGG晶體有望成為一種半導(dǎo)體激光泵 浦適合空間使用的高效激光晶體。用Nd，Er:GSGG晶體產(chǎn)生的2.7-2.8nm波段激光在醫(yī) 療、科學(xué)研究及軍事等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。除可滿地面應(yīng)用的要求外，還可以滿足輻射 環(huán)境和空間環(huán)境應(yīng)用的需要。


圖1是采用半導(dǎo)體激光器作為泵浦源實(shí)現(xiàn)Nd,EnGSGG晶體激光輸出的一種實(shí)驗(yàn)裝 置圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1:生長(zhǎng)高摻E一+離子濃度的Nd,Er:GSGG晶體
高摻E一+離子濃度的Nd,EnGSGG晶體是指E產(chǎn)離子的摻雜濃度在30-50at。/。之間，Nd3+ 的濃度在0.5-10at。/。之間。例如Er^濃度為35at%, Nd"的濃度為lat%。以固相法或液相 法制備的多晶原料，采用熔體提拉法即可生長(zhǎng)出高摻E一+的Nd，Er:GSGG單晶體。 固相法是按照下列化學(xué)反應(yīng)式3xNd203+3yEr203+3(l-x-y)Gd203+2Sc203+3Ga203=2Nd3xEr3yGd(3-3x.3y)Sc2Ga3012，其中 x=0.5-10at%， y=30-50at%，通過(guò)固相反應(yīng)法制得所述晶體的多晶原料； 實(shí)施例2:實(shí)現(xiàn)Nd,Er:GSGG晶體2.7-2.8pm波段激光輸出的一種實(shí)驗(yàn)裝置
采用808nm半導(dǎo)體激光器泵浦Nd,Er:GSGG(NdS+的摻雜濃度為lat。/。,ErS+的摻雜濃度 為35atn/。)的晶體元件。實(shí)驗(yàn)裝置如附圖1。圖中1是808nm半導(dǎo)體激光器;2是聚焦透鏡;3 是對(duì)2.7-2.8pm波段全反射，對(duì)808nm全透射的介質(zhì)鏡;4是Nd,Er:GSGG晶體元件；5 是對(duì)2.7-2.8|am波段部分透射，對(duì)808nm全反射的介質(zhì)鏡；6激光能量計(jì)。由于2.7-2.8nm 附近波長(zhǎng)處于水的強(qiáng)吸收帶，因此在此激光實(shí)驗(yàn)裝置中，還需要排除諧振腔內(nèi)的水氣或 縮短諧振腔以減少水氣對(duì)激光振蕩的不良影響。
權(quán)利要求
1、Nd3+敏化的抗輻射激光晶體Nd，Er:GSGG，其特征在于所述晶體的化學(xué)式為Nd3+，Er3+:Gd3Sc2Ga3O12，分子式Nd3xEr3yGd3(1-x-y)Sc2Ga5O12，其中0＜x，y＜1，簡(jiǎn)寫成Nd，Er:GSGG，Nd3+作為敏化離子把吸收的能量轉(zhuǎn)移給晶體中的Er3+離子，提高了晶體在2.7-2.8μm附近激光的泵浦效率。
2、 根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的Nf+敏化的抗輻射激光晶體Nd,Er:GSGG，其特征在 于所述晶體是以抗輻射晶體釓鈧鎵石榴石GSGG為基質(zhì)的激光晶體。
3、 根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的N(^+敏化的抗輻射激光晶體Nd,Er:GSGG，其特征在 于其中Nc^+和E^+都是取代晶體中十二面體中心位置的Gd3+， Nc^+的取代濃度為 0.5-10at%， Er3+的取代濃度為30-50at%。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的NdS+敏化的抗輻射激光晶體Nd,Er:GSGG的制備方法， 其特征在于(1) 、采用固相法或液相法制備所述晶體的多晶原料， 所述固相法是按照下列化學(xué)反應(yīng)式3xNd203+3yEr203+3(l-x-y)Gd203+2Sc203+3Ga203=2Nd3xEr3yGd(3.3x.3y)Sc2Ga3012，其中 x=0.5-10at%， y=30-50at%，通過(guò)固相反應(yīng)法制得所述晶體的多晶原料； 所述液相法指共沉淀法或溶膠-凝膠法；(2) 、使用(1)制備的多晶原料，采用熔體法制備Nd,Er:GSGG的單晶。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種Nd³⁺敏化的抗輻射激光晶體，其特征在于該晶體的化學(xué)表達(dá)式為Nd³⁺，Er³⁺:Gd₃Sc₂Ga₃O₁₂(可簡(jiǎn)寫成Nd，Er:GSGG，其中Er³⁺的摻雜濃度高于30at％)，Nd³⁺和Er³⁺都是取代晶體中十二面體中心位置的Gd³⁺，Nd³⁺作為敏化離子把吸收的能量轉(zhuǎn)移給晶體中的Er³⁺離子，提高了Nd，Er:GSGG在2.7-2.8μm附近激光的泵浦效率。這個(gè)波段的激光在生物醫(yī)療、光參量振蕩及光電對(duì)抗等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。由于本發(fā)明的Nd，Er:GSGG激光晶體具有抗高強(qiáng)度γ射線和其它射線輻射的能力，因此，除可滿足地面應(yīng)用的要求外，還可以滿足輻射環(huán)境和空間環(huán)境應(yīng)用的需要。
文檔編號(hào)C30B1/00GK101409424SQ20071013439
公開(kāi)日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2007年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月12日
發(fā)明者孫敦陸, 張慶禮, 殷紹唐, 江海河, 羅建喬, 谷長(zhǎng)江 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所