專利名稱：可調(diào)諧激光晶體藍綠寶石及其制法和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及晶體和晶體生長領(lǐng)域。具體涉及產(chǎn)生激光特別是可調(diào)諧激光的藍綠寶石(為敘述方便起見，以晶體所呈的顏色而暫定此名)晶體；本發(fā)明還涉及該晶體的制備方法以及使用該晶體的激光器。
緊湊型全固化激光器是目前激光研究及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向。而此種類型的藍綠光(455-577nm)激光器由于在水下通訊、激光雷達、衛(wèi)星遙感、顯示及光存儲等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值而倍受重視。然而，從材料的角度而言，直接從固體中產(chǎn)生藍綠激光是很困難的。其主要原因是激發(fā)態(tài)吸收限制了激光能量輸出。另一種途徑是借助于外部二次諧波效應(yīng)將固體中產(chǎn)生的910-1154nm近紅外激光轉(zhuǎn)換成藍綠激光，轉(zhuǎn)換效率可達50％以上。這種材料如在紅光區(qū)域有較寬的強吸收帶，則適合于二極管激光泵浦，將是很有應(yīng)用前景的全固化藍綠激光材料。
在現(xiàn)有的商品化固體可調(diào)諧激光器中，摻鉻氟化鋰鍶鋁(LiSAF:Cr3+)和摻鈦藍寶石(Al2O3:Ti3+)激光器都具有較高的效率及在紅光和近紅外區(qū)域有很寬的調(diào)諧范圍。其中，LiSAF:Cr3+晶體在紅光波段有很寬的吸收帶，可用二極管激光泵浦并有較高的效率和較低的溫度穩(wěn)定性要求。LiSAF:Cr3+的915nm激光強度占峰值激光強度的70％左右(915nm以上激光強度更弱)，經(jīng)BBO倍頻，很容易產(chǎn)生457.5nm的“海軍藍”光。盡管如此，LiSAF:Cr3+仍有一些不足之處，如較低的機械強度，水解，氟化物原料制備造成的環(huán)境污染等。這些弱點在一定程度上限制了其商品化規(guī)模。而Al2O3:Ti3+晶體在915nm處的激光強度與峰值之比不足30％，長波方向的激光強度更弱，就目前來看尚無二極管激光泵浦的可能性。此外紅外殘余吸收是該晶體無法消除的缺陷。因此如何探索新的在二極管激光波段有強的寬帶吸收，發(fā)射波長在910-1154nm的低閾高效激光晶體，已成為全固化藍綠激光晶體材料領(lǐng)域中的前沿課題。
目前，生長摻鉻氟化鋰鍶鋁晶體和摻鈦藍寶石的方法有多種，例如提拉法、區(qū)熔法和坩堝下降法等等。
為解決全固化藍綠激光材料的需要，申請人做了大量的工作，導(dǎo)致了本發(fā)明。因此，本發(fā)明提供一種激光晶體，特別是可調(diào)諧激光晶體，該晶體由以下化學(xué)分子式(Li1-y(Ta1-αNbα)1-xCrxYyO3)1-zMz代表，其中Li為一價鋰離子Li+；Ta和Nb分別為別五價鉭離子Ta5+和五價鈮離子Nb5+；Cr為三價鉻離子Cr3+；Y為三價釔離子Y3+或三價镥離子Lu3+；O為二價氧離子O2-；M選自氧化鎂(MgO)，或氧化鋅(ZnO)，或二者的混合物；α=0-1；x=0.0001-0.01；y=0,x；z=0-0.1。無摻雜情形，即x=y=z=0時，該化學(xué)分子式代表基質(zhì)晶體鉭鈮酸鋰LiTa1-αNbαO3，此晶體屬于三方晶系，空間群C3v-R3c(161)，單位晶胞中含有2個分子式單位。當(dāng)α=0時，基質(zhì)晶體為鉭酸鋰LiTaO3，晶胞參數(shù)a=0.5159nm,c=1.376nm，熔點1650℃；當(dāng)α=1時基質(zhì)晶體為鈮酸鋰LiNbO3，晶胞參數(shù)a=0.5159 nm，c=1.376nm，熔點1253℃；當(dāng)α≠0時，基質(zhì)晶體為鉭鈮酸鋰混晶LiTa1-αNbαO3。基質(zhì)摻雜情形，即x,y,z≠0時，該化學(xué)分子式代表復(fù)合鉭鈮酸鋰。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種制備藍綠寶石可調(diào)諧激光晶體的方法，該方法包括首先提供一種坩堝，在坩堝內(nèi)放入配制并經(jīng)預(yù)處理的原料，將該原料熔化，在熔體表面生長晶體，和晶體毛坯進行后處理，如退火和極化等。晶體組分由上述化學(xué)分子式給定，其中，α=0-1，x=0.0001-0.01,y=0或x,z=0-0.1。晶體生長時的生長速度為0.01-5mm/hr。采用優(yōu)選籽晶，方向為X、Y或Z，籽晶旋轉(zhuǎn)速度為0-150rpm，坩堝可旋轉(zhuǎn)或不旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種激光器，包括光泵浦源、諧振腔和/或倍頻器件，其特征在于諧振腔中的激光介質(zhì)是藍綠寶石晶體。


圖1是藍綠寶石晶體全固化可調(diào)諧激光器示意圖。其中數(shù)字1是紅光二極管激光器，2是聚焦透鏡組，3是后腔鏡，4是藍綠寶石晶體，5是調(diào)諧元件，6是輸出腔鏡，7是倍頻晶體BBO。
圖2是藍綠寶石晶體LiTaO3:Cr3+的吸收光譜。其中Z向和Y向分別表示譜沿光軸Z方向和沿Y軸方向測量。樣品厚度0.17cm。
圖3是藍綠寶石晶體LiTaO3:Cr3+的室溫和液氮溫度下的熒光光譜。
下面詳細敘述本發(fā)明。一．藍綠寶石晶體及其制備方法1．晶體結(jié)構(gòu)及其組分藍綠寶石晶體的化學(xué)分子式為(Li1-y(Ta1-αNbα)1-xCrxYyO3)1-zMz無摻雜情形，即x=y=z=0時，該化學(xué)分子式代表基質(zhì)晶體鉭鈮酸鋰，LiTa1-αNbαO3。此晶體屬于三方晶系，空間群C3v-R3c(161)，單位晶胞中含有2個分子式單位。α=0時代表鉭酸鋰LiTaO3，晶胞參數(shù)a=0.5159nm，c=1.376nn，熔點1650℃。當(dāng)α=1時基質(zhì)晶體為鈮酸鋰LiNbO3，晶胞參數(shù)a=0.5159nm,c=1.376nm，熔點1253℃；當(dāng)α≠0時，基質(zhì)晶體為鉭鈮酸鋰混晶LiTa1-αNbαO3。摻雜情形，即x,y,z≠0時，該化學(xué)分子式代表復(fù)合鉭鈮酸鋰。摻入Cr3+或與Y3+共摻時晶體的晶系不變，只是晶包參數(shù)及熔點有小幅度變化。氧化鎂MgO或氧化鋅ZnO可與Li1-y(Ta1-αNbα)1-xCrxYyO3形成固溶體。
原料不是按照理想配比(分子式化學(xué)計量)而是按摩爾百分比例(Li,Y)∶(Ta,Nb,Cr)=48.8∶51.2-48.6∶51.4配制。原料選用光譜純或高純(4N)的化學(xué)試劑Li2CO3、Ta2O5、Nb2O5、Cr2O3、Y2O3和MgO或ZnO；經(jīng)干燥處理(200-600℃,4-10小時)的化學(xué)試劑，經(jīng)充分研磨后，壓片，1000-1300℃燒結(jié)20-30小時，使料中的CO2揮發(fā)盡并進行固相反應(yīng)。
Li+、Ta5+及Nb5+是構(gòu)成基質(zhì)晶體的金屬離子，Cr3+為激活離子，Y3+為電荷補償離子，MgO或ZnO是為抗激光損傷而摻入的。Cr3+可摻入的濃度范圍較寬，x=0.01-1at.％時都可生長出高光學(xué)質(zhì)量的單晶，優(yōu)選0.05-0.5at.％。如果x為0則沒有激光產(chǎn)生，x小于0.05at％時，則需要較大尺寸的晶體才能產(chǎn)生較強的激光，從成本核算的角度來看不可取。如果x超過0.5at.％，容易產(chǎn)生濃度淬滅效應(yīng)。Y3+，作為電荷補償離子，摻入的濃度可與Cr3+的濃度相同。在摻Cr3+時，也可不摻Y(jié)3+，此時電荷缺陷由晶體內(nèi)部的氧離子空位缺陷補償?？辜す鈸p傷劑MgO或ZnO的摻入量視需要而定，其范圍也較寬，z=0-12mol％，優(yōu)選6-10mol％。z為0時晶體的抗激光損傷閾值較低，小于6mol％時抗損傷作用小或無作用，大于10mol％時會給晶體生長帶來困難。2．生長工藝一般熔體生長方法都可以使用，沒有任何特殊限制，只要能夠得到藍綠寶石晶體毛坯。一般優(yōu)選常規(guī)的本領(lǐng)域經(jīng)常使用的提拉法(Czochralski method)，可使用電子秤控制晶體的直徑。這種方法生長的晶體質(zhì)量好，易控制且操作簡單。加熱方式可以采用電阻加熱和射頻加熱，優(yōu)選中頻加熱。轉(zhuǎn)速在電阻加熱時一般要高些，80-150rpm，在射頻加熱時可低一些，一般在10-50rpm，優(yōu)選10-25rpm，理由是太慢不利于熔體的及徑向溫場的均勻性，太快則會影響液流的穩(wěn)定性及形成凹的固液界面，這些都是影響晶體質(zhì)量的不良因素。生長速度視采取的具體方法而定。提拉法時0.1-8mm/hr，優(yōu)選0.5-3mm/hr。具體的數(shù)值應(yīng)根據(jù)摻雜濃度，分凝系數(shù)的大小及熱條件確定。一般在摻雜濃度低，分凝系數(shù)大，固液溫梯之差大的條件下，生長速度可大一些。在坩堝下降法(Bridgman-Stockbarger method)或溫梯法時生長速度要很慢，因為此方法是借助爐體內(nèi)部的溫度梯度，在坩堝緩慢移動的過程中，使熔體在單一固液界面上進行結(jié)晶的，太快則會影響固液界面的穩(wěn)定性。在區(qū)熔法(Zone melting method)時熔體的粘度對生長速度影響較大，粘度大的材料生長速度相應(yīng)可以快些。而泡生法(Kyropoulos method)則適用于生長難以提拉的晶體，如熱導(dǎo)率低和/或粘度系數(shù)小的材料。坩堝材料的選擇沒有任何限制，只要能夠承受熔體的溫度及不污染熔體，諸如貴金屬及其合金，其中優(yōu)選銥和鉑等。此外，合適的溫場條件對于晶體生長的過程及質(zhì)量也是至關(guān)重要的……保護氣氛也沒有特殊的限制，只要不氧化坩堝及不與熔體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對于銥堝優(yōu)選氬氣和氮氣，而對于鉑堝優(yōu)選空氣。生長方向可沿X、Y和Z，優(yōu)選Z和X。3．退火處理為了消除晶體在生長過程中所形成的氧缺位及殘余的應(yīng)力以利于晶體的結(jié)晶習(xí)性進一步完整及加工，最好進行退火處理。退火可在電阻爐加熱裝置或感應(yīng)爐中及在氧化氣氛下進行，優(yōu)選電阻爐加熱裝置及空氣氣氛。起始退火溫度一般為室溫，而退火溫度的上限以不熔化晶體為宜，如在1000-1500℃均可，優(yōu)選1100-1400℃。為防止晶體炸裂，升溫應(yīng)以晶體不開裂所能承受的速度進行，一般應(yīng)小于100℃/hr，優(yōu)選20-50℃/hr。升到退火的最高溫度時開始恒溫，其時間的長短應(yīng)視恒溫溫度的高低而定，一般20-100小時，優(yōu)選20-50小時。降溫速度可參照升溫速度進行。4．極化處理提拉法生長的藍綠寶石單晶是多電疇的，疇壁對激光有散射作用，極化處理可使晶體單疇化，從而消除晶體中的散射中心。極化加熱可在電阻爐加熱裝置中或感應(yīng)爐中和氧化氣氛下進行，優(yōu)選電阻爐加熱裝置和空氣氣氛。起始溫度通常為室溫，最高溫度應(yīng)高于晶體的居里溫度。鉭酸鋰晶體的居里溫度為613-650℃，鈮酸鋰晶體的居里溫度為1140-1210℃。摻雜的鉭鈮酸鋰的居里溫度可能在613-1210℃之間變化，極化溫度的上限可選在650至1210℃之間，最佳極化溫度應(yīng)視鉭和鈮的比例而定，一般鈮的含量越高居里溫度也越高。升溫也應(yīng)緩慢進行，以晶體不開裂所能承受的速度進行。速度一般在20-50℃/hr之間，優(yōu)選20-30℃/hr。極化從預(yù)定的溫度上限開始，沿Z軸方向施加直流電場。電極板材料的選擇沒有特殊的限制，只要能夠承受極化溫度的上限，可用貴金屬及其合金，優(yōu)選鉑、金和銀。電流密度可在0.1-10mA/cm2之間選擇，優(yōu)選2-5mA/cm2?？梢院銣匾欢螘r間，也可以不恒溫。然后再以和升溫同樣的速率降至室溫。
室溫下藍綠寶石晶體(LiTaO3:Cr3+)在464nm(藍色)和650nm(紅色)處有很寬的吸收帶，其中紅光650nm處的吸收帶從550擴展至750nm。發(fā)射中心波長為901.6nm，熒光范圍從700至1150nm，半寬達183.6nm(805.6-989.2nm)。對于LiNbO3:Cr3+，由于相似的晶格環(huán)境，其光學(xué)和光譜特征與LiTaO3:Cr3+相似，藍綠寶石單晶是各向異性的，沿Z軸(光軸)晶體呈藍綠色，沿X,Y呈綠色。二．藍綠寶石激光器本發(fā)明制備的藍綠寶石晶體可以作為全固化激光介質(zhì)，特別是全固化可調(diào)諧激光介質(zhì)使用；可用于閃光燈泵浦也可以用于激光，特別是二極管激光器泵浦；調(diào)諧運轉(zhuǎn)可在750-1150nm區(qū)域，優(yōu)選800-1050nm區(qū)域；激光器上利用倍頻器，如偏硼酸鋇BBO，及調(diào)諧元件可獲得400-525nm波段的紫、藍和綠色可調(diào)諧激光，尤以“海軍藍”光457.5nm為其特色。
藍綠寶石晶體可調(diào)諧激光器結(jié)構(gòu)如附圖1所示。該激光器以使用激光介質(zhì)藍綠寶石晶體為其基本特征。整個系統(tǒng)由泵浦光源(1)、聚焦透鏡組(2)、后腔鏡(3)、藍綠寶石晶體(4)、調(diào)諧元件(5)、輸出腔鏡(6)和倍頻晶體BBO(7)組成。下面分述該器件各組成部分。1．泵浦光源在藍綠寶石晶體可調(diào)諧激光器中，可選擇閃光燈泵浦其400-550nm的藍吸收帶，也可選擇輸出波長在600-720nm的各種類型的激光器，特別是二極管激光器作為泵浦源，優(yōu)選625-675nm范圍的紅光AlGaInP二極管激光器，最佳泵浦波長為650nm。由于是寬帶吸收譜，對二極管激光器的溫度穩(wěn)定性要求很低。也可選用YAG:Nd3+的1320nm或YAP:Nd3+的1340nm的倍頻光660或670nm作為泵浦光。2．泵浦方向和激光方向激光器中按泵浦介質(zhì)的方向與產(chǎn)生激光的方向的關(guān)系劃分，通?？煞譃榭v向泵浦-二者相互平行和橫向泵浦-二者相互垂直。至于選擇何種方式泵浦應(yīng)根據(jù)激活介質(zhì)本身的光學(xué)和光譜特性而定，選擇其中一種或二者并用。
從吸收光譜可知，藍綠寶石晶體對光的吸收是各向異性的。沿光軸Z方向晶體呈藍綠色，晶體對紅光的吸收比對藍綠光的吸收約高2倍，沿Y向(或X向)晶體呈草綠色，晶體對紅光的吸收比對藍綠光的吸收約高0.5倍，而兩方向的藍綠光吸收系數(shù)幾乎相同，為此選擇光軸方向泵浦有較高的效率。也可選擇垂直于光軸的方向作為輔助泵浦。藍綠寶石基質(zhì)晶體屬于正單軸晶體，無對稱中心，有較大的倍頻系數(shù)，雖無位相匹配，但沿垂直于光軸的方向有明顯的倍頻效應(yīng)。故選擇光軸方向泵浦，可以避免由泵浦光能量轉(zhuǎn)換所帶來的損失，降低泵浦閾值。而激光方向選擇光軸方向時也可避免激光能量的無謂轉(zhuǎn)換。因此激光方向優(yōu)選光軸Z方向，泵浦方式優(yōu)選縱向泵浦，可同時輔之橫向泵浦。3．調(diào)諧元件為了能夠?qū)崿F(xiàn)藍綠寶石晶體激光器的可調(diào)諧運轉(zhuǎn)，必須在光路中放置調(diào)諧元件。單塊棱鏡、棱鏡組、棱鏡擴束及光柵均可作為調(diào)諧元件使用，優(yōu)選石英棱鏡。4．倍頻器件倍頻器的選擇沒有特殊的限制，只要倍頻晶體在基波激光及其倍頻光區(qū)域內(nèi)透明，有較大的倍頻系數(shù)且能相位匹配，同時能夠承受激光的照射而不損傷。優(yōu)選偏硼酸鋇(BBO)晶體。三．實施例下面以上述藍綠寶石晶體的制備方法及其激光器為依據(jù)并參照附圖結(jié)合實施例進一步說明本發(fā)明，絕非限制本發(fā)明范圍。
實施例1．要生長α=0,x=0.001、y=0、z=0的LiTaO3:Cr3+單晶，摩爾百分比Li∶(Ta,Cr)=48.8∶51.2。配制300克料其中Li2CO3:45.09g,Ta2O5:282.62g,Cr2O3:0.095g；經(jīng)研磨、壓片、燒結(jié)后，裝入銥坩堝中，采用提拉法，沿X軸生長，溫度1650℃；氣氛為氬氣，晶轉(zhuǎn)速度20rpm，提拉速度2-3mm/hr。生長出的單晶為黑色，經(jīng)1100℃退火處理后透明，沿Z軸(光軸)晶體呈藍綠色，沿X,Y呈綠色。但對氦氖激光有較強的散射，經(jīng)極化處理，15小時升溫至700-800℃，沿Z軸方向施加直流電場，電流密度2-5mA/cm2，再以同樣的速率將溫度降至室溫，晶體的對氦氖激光的散射消失。
實施例2．取α=0,x=0.001,y=0,z=6,Li與Ta,Cr的百分摩爾比同實施例1，采用提拉法生長出了LiTaO3:MgO:Cr3+單晶，采用銥坩堝，生長方向為X，氣氛為氬氣，晶體轉(zhuǎn)速10rpm，拉速1mm/hr。MgO的摻入可以提高晶體的抗損傷閾值。生長的晶體為黑褐色，退火后顏色與LiTaO3:Cr3+的顏色相近(略淡一些)。采用與實施例1同樣的極化方法處理得到了無散射的晶體。
實施例3．取α=0,x=0.001,y=0.001,z=6,Li,Y與Ta,Cr的百分摩爾比同實施例1，采用提拉法生長出了LiTaO3:MgO:Y3+:Cr3+單晶。籽晶方向沿Z軸，生長條件同實施例2。摻入Y3+離子的目的是為了補償Cr3+進入Ta5+格位時所產(chǎn)生的電荷缺陷。生長出的晶體為墨綠色或黑色。退火及極化的結(jié)果同實施例(2)。
實施例4．取α=0,x=0.001,y=0.001,z=6，摩爾百分比Li,Y與Ta,Cr的摩爾百分比同實施例1，采用泡生法生長了LiTaO3:MgO:Y3+:Cr3+單晶。生長程序取Z-向LiTaO3作為籽晶，直徑5mm。坩堝采用銥坩堝，生長氣氛為氬氣。待熔體熔化以后，恒溫0.5-1小時，下種，再恒溫半小時以上，然后開始緩慢提拉(0.5-1mm/hr)放肩(通過緩慢降溫)生長，轉(zhuǎn)速10-20rpm。待晶體直徑達到20mm左右時，停止提拉，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，結(jié)晶通過緩慢降溫進行，當(dāng)晶體的直徑接近坩堝壁時停止旋轉(zhuǎn)，降溫速度可以加快，直至生長結(jié)束。生長出的晶體為墨綠色或黑色。退火及極化的結(jié)果同實施例(2)。
實施例5．取α=1,x=0.001,y=z=0,Li與Nb的摩爾百分比為48.6∶51.4，采用提拉法得到LiNbO3:Cr3+單晶。如配300g料，其中Li2CO3:71.57g,Nb2O5:272.59g,Cr2O3:0.156g；經(jīng)研磨、壓片、燒結(jié)后，裝入鉑坩堝，氣氛為空氣，生長方向為X，拉速1-2mm/h，轉(zhuǎn)速10-20rpm/m，生長出的單晶為藍(沿光軸)綠(沿Y軸)色，晶體的極化電流密度為5mA/cm2，極化退火溫度為1180℃。
實施例6．用電光調(diào)QNd3+:YAG的1.32μm脈沖激光(脈寬20ns)經(jīng)KTP晶體倍頻獲得660nm的泵浦光，能量約20mJ，經(jīng)透鏡聚焦后泵浦LiTaO3:Cr3+晶體，晶體長度為6mm，端面尺寸4.7×6.3mm2，晶體鍍增透膜，后腔鏡對750-1100nm的反射率為100％，輸出腔鏡對900-1100nm的反射率為80-90％，在熒光峰值附近900nm獲得了能量為0.9mJ的激光運轉(zhuǎn)，脈寬≤20ns，斜率效率4.5％。用BBO晶體倍頻后獲得了450nm藍色激光。
實施例6．采用藍綠寶石晶體LiTaO3:Cr3+，長度為11mm，未鍍增透膜，其他條件同實施例5，同樣獲得了近紅外激光運轉(zhuǎn)。
本發(fā)明提供的藍綠寶石晶體LiTaO3:Cr3+具有如下特性(1)機械強度高且無毒該晶體屬高溫氧化物晶體，機械強度較高，易于加工，物化性能穩(wěn)定，不潮解，且無毒無污染。
(2)吸收帶寬可用燈及激光二極管泵浦與LiSAF:Cr3+類似，藍綠寶石晶體在464nm和650nm處有很寬的吸收帶，可用閃光燈泵浦也可用激光器特別是二極管激光器泵浦，其中650nm帶從550擴展至750nm，適合于商品化的AlGaInP二極管激光器泵浦。
(3)截面大閾值低適用于小型化器件該晶體的650nm帶的峰吸收截面達1×10-18cm2，相應(yīng)的發(fā)射截面σe=3.3×10-19cm2，比LiSAF:Cr3+高一個數(shù)量級。從吸收光譜計算得到該晶體的輻射壽命τ≌3μs，與鈦寶石相近，而τσe值與LiSAF:Cr3+相近，適合于脈沖式也適合與連續(xù)波激光運轉(zhuǎn)并具有很低的閾值，加之激活中心所處的格位相隔較遠，濃度淬滅效應(yīng)小，在幾個毫米的晶體中就可以產(chǎn)生較強的激光，非常適用于小型化器件。
(4)發(fā)射波段寬用倍頻器可獲得強紫藍綠可調(diào)諧激光室溫下該晶體有異常寬的發(fā)射譜，波長從700nm擴展至1150nm，半寬為183.6nm(805.6-989.2nm)，峰值波長為901.6nm。如果采用倍頻器，可以得到350-575nm的激光。此激光波長包括了部分紫外光并覆蓋了整個紫、藍和綠光范圍。特別是，915nm發(fā)射位于峰值附近，占峰值強度的97％以上(對于LiSAF:Cr3+，此值為70％)，“海軍藍”光457.5nm利用倍頻器將很容易獲得。
(5)激發(fā)態(tài)吸收及自吸收小藍綠寶石晶體的Stokes頻移為4319cm-1是LiSAF:Cr3+(1450cm-1)3倍，故吸收與發(fā)射光譜之間的重疊很小，自吸收可以忽略不計。此外由能級結(jié)構(gòu)計算分析表明，較弱的晶場能級使激發(fā)態(tài)吸收在此晶體中也是很小的，因此產(chǎn)生激光振蕩的可能性較高。
總之，本發(fā)明提供的藍綠寶石晶體出已被證實是一種激光晶體，特別是一種可調(diào)諧激光晶體，其激光至少可在800-1050nm范圍內(nèi)調(diào)諧，利用倍頻晶體還可以得到400-525nm范圍內(nèi)的紫、藍和綠色激光。由于其吸收截面和發(fā)射截面大，激發(fā)態(tài)吸收小，是一種低閾、高效且適合于激光二極管泵浦的全固化寬帶可調(diào)諧激光材料。
權(quán)利要求
1．一種可調(diào)諧激光晶體藍綠寶石，其特征在于，由下列化學(xué)分子式組成(Li1-y(Ta1-αNbα)1-xCrxYyO3)1-zMz，其中Li為一價鋰離子Li+；Ta為五價鉭離子Ta5+；Nb為五價鈮離子Nb5+；Cr為三價鉻離子Cr3+；Y為三價釔離子Y3+或三價镥離子Lu3+；O為二價氧離子O2-；M選自氧化鎂(MgO)，或氧化鋅(ZnO)，或二者的混合物；α=0-1；x=0.0001-0.01；y=0或x；z=0-0.1；無摻雜情形，即x=y=z=0，該化學(xué)分子式代表基質(zhì)混合晶體鉭鈮酸鋰(LiTa1-αNbαO3)，此晶體屬于三方晶系，空間群C3v-R3c(161)，單位晶胞中含有2個分子式單位。當(dāng)α=0時，該化學(xué)分子式代表基質(zhì)晶體鉭鈮酸鋰(LiTaO3)，晶胞參數(shù)a=0.5159nm,c=1.376nm，熔點1650℃；當(dāng)α=1時，該化學(xué)式代表基質(zhì)晶體鈮酸鋰(LiNbO3)，晶胞參數(shù)a=0.5159nm,c=1.376nm，熔點1243℃；
2．如權(quán)利要求1所述的的激光晶體藍綠寶石，其特征在于，摻雜情形時，即x,y,z≠0時，該化學(xué)分子式(Li1-y(Ta1-αNbα)1-xCrxYyO3)1-zMz代表復(fù)合鉭鈮酸鋰。
3．一種權(quán)利要求1所述的激光晶體藍綠寶石的制備方法，其特征在于，包括熔體生長、退火和極化處理，其特征在于選用光譜純或高純(4N)的化學(xué)試劑Li2CO3、Ta2O5、Nb2O5、Cr2O3、Y2O3和MgO或ZnO，按摩爾百分比(Li,Y)∶(Ta,Nb,Cr)=48.8∶51.2-48.6∶51.4，經(jīng)干燥處理的化學(xué)試劑，經(jīng)充分研磨后壓片，在1000-1300℃燒結(jié)20-30小時，使料中的CO2揮發(fā)盡并進行固相反應(yīng)，生長時可有籽晶或無籽晶，可有坩堝或無坩堝，坩堝可旋轉(zhuǎn)或不旋轉(zhuǎn)，生長速度0.1-8mm/hr。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，熔體生長可用提拉法，坩堝下降法，溫梯法，區(qū)熔法和泡生法。
5．根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，退火處理時的起始退火溫度為室溫，退火溫度的上限以不熔化晶體為宜，在1100-1500℃；升溫以晶體不開裂所能承受的速度進行，一般小于100℃/hr；升到退火最高溫度時開始恒溫，其時間的長短視恒溫溫度的高低而定，一般20-100小時，降溫速度參照升溫速度進行。
6．根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，極化處理可在電阻爐加熱裝置中或感應(yīng)爐中和氧化氣氛下進行，起始溫度為室溫，最高溫度高于居里溫度，極化溫度的上限在650-1123℃；升溫速度以晶體不開裂所能承受的速度進行，以20-50℃/hr進行；極化從預(yù)定的溫度上限開始，沿Z軸方向施加直流電場；電流密度在0.1-10mA之間選擇，可以恒溫一段時間，也可以不恒溫。然后再以和升溫同樣的速率降至室溫。
7．一種激光器，包括光泵浦源、諧振腔、聚焦透鏡、調(diào)諧元件、倍頻器件，其特征在于，在諧振腔中使用權(quán)利要求1所述的激光晶體藍綠寶石。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新的激光晶體的結(jié)構(gòu)及其制備方法和用途。這種激光晶體((Li
文檔編號C30B29/22GK1227288SQ9811159
公開日1999年9月1日 申請日期1998年11月25日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月25日
發(fā)明者李運奎, 王佩林 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所