專利名稱：高效抗輻射中紅外激光晶體Re,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，具體的說是一種具有抗輻射性能的Ho3+或ft·3+與 Er3+共摻的釓鈧鎵石榴石激光晶體(Re，Er:GSGG)及其制備方法。
背景技術(shù)：
鉺離子的4111/2 — 4I1372躍遷，在不同的基質(zhì)中可產(chǎn)生2. 7-3 μ m波段的激光，這個(gè) 波段與水的強(qiáng)吸收峰位置重疊，因而水對它的吸收率特別高，是精細(xì)外科手術(shù)理想的工作 波段，這一性質(zhì)使鉺激光在生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已得了非常廣泛的應(yīng)用。另外，用2.7-3μπι的 激光泵浦紅外非線性晶體實(shí)現(xiàn)光參量振蕩，能夠獲得3 19 μ 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(dá)、自由空間通信、化學(xué)和生物戰(zhàn)劑的探測、環(huán)境污染 監(jiān)測以及反恐等領(lǐng)域。在輻射環(huán)境和空間環(huán)境中應(yīng)用的激光器會受到Y(jié)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Gd#C2(;a3012 (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出高光學(xué)質(zhì) 量的單晶° Zharikov (Ε· V. Zharikov, et al. Effect of UV-and y -irradiation on the lasing characteristics ofneodymium lasers,Bull. Acad. Sei. USSR,Phys. Ser,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IOMrad的6ciCoy射線輻照后， 其激光性能幾乎不受影響，而NchYAG(Y3Al5O12)激光器在受到IMrad的、射線輻照后，其激 光輸出下降了一個(gè)數(shù)量級。我們的6ciCoy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 andbonding in garnet Gd3Sc2Ga3O12, Gd3Sc2Al3O12Bnd Gd3Ga5O12Compared to Y3Al5O12,Physical Review B, 2000,61 :1817) ^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&原子與GGG、YAG晶體中相同位置 的( 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。R. C. Stoneman 等人曾報(bào)道了 ErGSGG (R. C. Stoneman, L. Esterowitz. Efficient resonantly pumped 2. 7-2. 8 μ m Er3+:GSGG laser. OptLetter, 1992,17 (11) :816.)的激 光輸出。在Er:GSGG晶體中，2. 79 μ m的激光上能級％1/2的壽命為1. 6ms,該晶體是很好 的儲能材料，適合于調(diào)Q輸出巨脈沖激光。但是由于激光下能級4Iiv2的壽命可達(dá)到6ms， 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(shù)反轉(zhuǎn)。為了有效減小下能級4I1372的壽命，在晶體中摻入能 級與4Iiv2接近的離子，通過離子間的共振能量轉(zhuǎn)移，也可加快抽空激光下能級粒子的速度。 1988 年，Huber 等人(Huber, et al, laser pumping of Ho, Tm, Er garnet laserat room temperature, IEEE J of Quantum Electronics, 1988,24 920)比較了連續(xù)二極管激光器 泵浦Cr，Er:YSGG和Cr，Er，Ho:YSGG晶體的輸出特性，后者斜效率提高。這是由于Ho的5I7 能級與4Iiv2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(zhì)保持了較高的增益。本發(fā)明提出的Re，Er:GSGG(Re = Ho3+或ft·3+)，其中Ho3+的5I7和ft·3+的％能級分 別與Er3+離子的激光下能級4Iiv2接近，能加速激光下能級粒子抽空速率，減小壽命，在振蕩 過程中激光介質(zhì)可以保持較高的增益，提高斜效率。由于基質(zhì)GSGG本身具有抗輻射功能， 所以Re，Er:GSGG(Re = Ho3+或ft·3+)晶體也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)^2O3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，隨著應(yīng)用需求和提取技術(shù)的迅速發(fā)展，^2O3的價(jià)格有了較大幅度 的降低。所以，近些年來，國外含鈧石榴石晶體的研究又重新興起，盡管如此，據(jù)檢索，目前 國內(nèi)外都還沒有關(guān)于Re，Er:GSGG(Re = Ho3+或ft·3+)激光晶體的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于公開一種能夠在2. 7-2. 8 μ m實(shí)現(xiàn)高效激光輸出的抗輻射激光 晶體Re, Er:GSGG(Re = Ho3+或Pr3+)及其制備方法。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案高效抗輻射中紅外激光晶體Re，Er GSGG (Re = Ho3+或ft·3+)，所述晶體的化學(xué)式 為 Re3+，Er3+IGd3Sc2Ga3O12,分子式 Re3xEr3yGd3(1_x_y)Sc2^i5O12，其中 Re3+ 為 Ho3+ 或 Pr3+，0 < χ, y < 1，(可簡寫成Re，Er:GSGG)。Ho3+的5I7和ft·3+的％能級分別與Er3+離子的激光下能 級4Iiv2接近，可加速激光下能級粒子抽空速率，減小壽命，在振蕩過程中激光介質(zhì)可以保持 較高的增益，提高斜效率。所述晶體是以抗輻射晶體GSGG為基質(zhì)的激光晶體。所述的Re3+和Er3+都是取代晶體中十二面體中心位置的Gd3+，Re3+的取代濃度為 0. 5-5at%, Er3+ 的取代濃度為 30_50at%。所述的高效抗輻射中紅外激光晶體Re，Er:GSGG(Re為Ho3+或ft·3+)制備方法(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3xRe203+3yEr203+3 (Ι-χ-y) Gd203+2Sc203+3Ga203 = 2Re&Ei^yGd(3_3x_3y)Sc2Ga3O12,其中 Re = Ho3+，Pr3+, χ = 0. 5-5at%, y = 30_50at%，通過固相反應(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；O)、使用(1)制備的多晶原料，采用熔體法制備Re，Er:GSGG(Re = Ho3+或ft·3+)單
曰
曰曰°所述晶體除可用常規(guī)的閃光燈泵浦外，還可使用中心波長在790nm或965nm附近 的半導(dǎo)體激光作為泵浦源，通常采用熔體法生長Re，Er:GSGG(Re = Ho3+或ft·3+)石榴石單 晶，這種方法可以生長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)明的有益效果本發(fā)明提供一種高效抗輻射中紅外激光晶體Re，Er GSGG (Re = Ho3+或I^3+)，晶體 結(jié)構(gòu)屬于立方晶系，可以采用熔體提拉法生長出高光學(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。用Re，Er:GSGG(Re = Ho3+或 Pr3+)晶體產(chǎn)生的2. 7-2. 8 μ m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)Re，Er:GSGG(Re = Ho3+或ft·3+)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 生長高摻Er3+離子濃度的Ho，EriGSGG晶體高摻Er3+離子濃度的Ho，Er:GSGG晶體是指Er3+離子的摻雜濃度在30-50at%之 間，Ho3+的濃度在0. 5-5at%之間。例如Er3+濃度為35at%，Ho3+的濃度為2at%0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出高摻Er3+的Ho，EriGSGG單晶體。固相法是按照下列化學(xué)反應(yīng)式3xHo203+3yEr203+3 (Ι-χ-y) Gd203+2Sc203+3Ga203 = 2Ho3xEr3yGd(3_3x_3y)Sc2Gei3O12,其中 x = 0. 5-5at%,y = 30-50at%，通過固相反應(yīng)法制得所述晶體的多晶原料；實(shí)施例2 生長高摻Er3+離子濃度的Pr，EriGSGG晶體高摻Er3+離子濃度的Pr，Er:GSGG晶體是指Er3+離子的摻雜濃度在30-50at%之 間，Pr3+的濃度在0. 5-5at%之間。例如Er3+濃度為35at%，Pr3+的濃度為2at%0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出高摻Er3+的Pr，EriGSGG單晶體。固相法是按照下列化學(xué)反應(yīng)式3xPr203+3yEr203+3 (Ι-χ-y) Gd203+2Sc203+3Ga203 = 2Pr3xEr3yGd(3_3x_3y)Sc2Gei3O12,其中 x = 0. 5-5at%,y = 30-50at%，通過固相反應(yīng)法制得所述晶體的多晶原料；實(shí)施例3 實(shí)現(xiàn)Ho，EriGSGG晶體2. 7-2. 8 μ m波段激光輸出的一種實(shí)驗(yàn)裝置采用965nm半導(dǎo)體激光器泵浦Ho，Er:GSGG(Ho3+的摻雜濃度為2at%，Er3+的摻 雜濃度為35at%)的晶體元件。實(shí)驗(yàn)裝置如附圖1。圖中1是965nm半導(dǎo)體激光器；2是 聚焦透鏡；3是對2. 7-2. 8 μ m波段全反射，對965nm全透射的介質(zhì)鏡；4是Ho，Er GSGG晶 體元件；5是對2. 7-2. 8 μ m波段部分透射，對965nm全反射的介質(zhì)鏡；6激光能量計(jì)。由于 2. 7-2. 8μπι附近波長處于水的強(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激光振蕩的不良影響。實(shí)施例4 實(shí)現(xiàn)Pr，Er: GSGG晶體2. 7-2. 8ym波段激光輸出的一種實(shí)驗(yàn)裝置采用965nm半導(dǎo)體激光器泵浦Pr，Er:GSGG(Pr3+的摻雜濃度為2at%，Er3+的摻 雜濃度為35at%)的晶體元件。實(shí)驗(yàn)裝置如附圖1。圖中1是965nm半導(dǎo)體激光器；2是 聚焦透鏡；3是對2. 7-2. 8 μ m波段全反射，對965nm全透射的介質(zhì)鏡；4是Pr，Er GSGG晶 體元件；5是對2. 7-2. 8 μ m波段部分透射，對965nm全反射的介質(zhì)鏡；6激光能量計(jì)。由于 2. 7-2. 8μπι附近波長處于水的強(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激光振蕩的不良影響。
權(quán)利要求
1.一種高效抗輻射中紅外激光晶體Re3+，Er3+ = Gd3Sc2Ga3O12，其特征在于晶體的化學(xué)式 為 Re3+，Er3+:Gd3Sc2^i3O12,分子式 Re3xEr3yGd3(1_x_y)Sc2^i5O12，其中 Re3+ 為 Ho3+ 或 ft~3+，0 < x,y < 1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效抗輻射中紅外激光晶體Re3+，Er3+:Gc^c2(;a3012，其特征在 于所述的Ho3+的5I7和ft·3+的％能級分別與Er3+離子的激光下能級4Iiv2接近，可加速激 光下能級粒子抽空速率，減小壽命，在振蕩過程中激光介質(zhì)可以保持較高的增益，提高斜效率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效抗輻射中紅外激光晶體Re3+，Er3+:Gc^c2(;a3012，其特征在 于所述晶體是以抗輻射晶體釓鈧鎵石榴石為基質(zhì)的激光晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效抗輻射中紅外激光晶體Re3+，Er3+:Gc^c2(;a3012，其特 征在于所述的Re3+和Er3+都是取代晶體中十二面體中心位置的Gd3+，Re3+的取代濃度為 0. 5-5at%, Er3+ 的取代濃度為 30_50at%。
5.一種權(quán)利要求1所述的高效抗輻射中紅外激光晶體Re^Er3+ = Gd3Sc2Ga3O12的制備方 法，其特征在于包括以下步驟(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3xRe203+3yEr203+3 (Ι-χ-y) Gd203+2Sc203+3Ga203 = 2Re3xEr3yGd(3—3x—3y) Sc2Gei3O12，其中 Re = Ho3+，Pr3+, χ = 0. 5-5at%,y = 30-50at%，通過固相反應(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；O)、使用(1)制備的多晶原料，采用熔體法制備Re，Er:GSGG(Re = Ho，Pr)的單晶。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種高效的抗輻射中紅外激光晶體，在Er3+:Gd3Sc2Ga3O12(Er:GSGG，其中Er3+的摻雜濃度高于30at％)晶體中摻入Ho3+或Pr3+，表達(dá)式可寫為Re3+，Er3+:Gd3Sc2Ga3O12(Re＝Ho，Pr)，其下能級的熒光壽命可得到一定的減小，從而有效提高了晶體的激光效率，同時(shí)該晶體還具有抗輻射的性能。
文檔編號C30B15/00GK102127812SQ20101060762
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月27日
發(fā)明者劉文鵬, 孫敦陸, 張慶禮, 李為民, 殷紹唐, 秦清海, 羅建喬, 谷長江, 韓松 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所