[发明专利]一种多段掺杂浓度梯度的石榴石复合晶体及其生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多段掺杂浓度梯度的石榴石复合晶体及其生长方法，具体涉及到应用于高功率激光器件领域。

背景技术

激光二极管(LD)泵浦的固体激光器具有结构紧凑、效率高、稳定性好、寿命长等优点，在科研、医疗、通讯、军事等领域有着广阔的应用前景。作为固体激光器中的关键部分，稀土离子或过渡金属离子掺杂的增益介质已经得到很多的研究和应用，其中石榴石和钒酸盐晶体应用的较为广泛。传统的增益介质通常采用单一掺杂浓度的晶体结构，这种增益介质在较高的泵浦功率下，由于温度的升高决定于泵浦功率密度和晶体中的掺杂离子浓度。一般来说，当离子浓度固定时，泵浦功率密度越高，在该位置的温度就会越高，产生大的温度梯度。由于温度梯度和晶体膨胀的影响，在该位置会产生较高的热应力，有可能导致增益介质破裂，这一问题极大制约激光器输出功率的进一步提高。产生高功率激光，把激光器产生的废热的及时输运出来，是获得高功率激光输出的关键因素。为了获得高功率的激光输出，人们采用了多种途径，(1)研究探索热导率更高的激光基质材料；(2)加强激光器的制冷效率；这些都取得了良好的效果。同时人们也在激光器激光工作物质的设计上做了大量工作，设计了板条激光器，盘片激光器和把激光工作物质做成光纤，成为光纤激光器，获得了高功率和高光学质量的激光输出。为了改善激光工作物质中温度分布以及其决定的热应力分布，近年来，又出现一种提高激光输出功率的方法，就是采用复合晶体提高增益介质吸收光分布的均匀性。所谓复合晶体就是把掺质晶体和不掺质晶体采用生长、热键和等方法把两种或更多的激光材料复合到一起。基于能量均分方法，复合晶体采用多段激活离子浓度梯度掺杂结构，可很好地提高增益介质吸收光分布的均匀性，改善温度梯度变化和降低热应力，使之有很好的潜力应用在高平均功率、高光束质量激光器上。2006年，Chen等计算了增益介质分别为9段和17段时，双侧面泵浦宽度16mm复合板条增益介质的温度分布，相对单一掺杂浓度的激光晶体其温度分布均匀性得到了极大的提高(Chen Bin，Chen Ying，Bass M，IEEE Journal of Quantum Electronics，42，483-488(2006)).

到目前为止，报到生长此类复合晶体的方法主要包括：水热法，提拉法、液相外延法、热键合法。但是这些生长方法都有自身的缺点：水热法生长过程复杂不易生长大尺寸，提拉法生长的复合晶体质量差，界面存在大量气泡和包裹物等缺陷，液相外延法生长过程不可控制，复合层难达到较高的厚度，热键合法对工艺要求比较高，制作过程对环境要求高，条件比较苛刻，键合的晶体界面对激光有损耗。CN101880908A(CN200910111635.8)提供了一种原生多段式钒酸钇激光晶体的制备方法，它是利用助熔剂法，先在掺稀土钒酸钇激光晶体的一端生长出一定厚度的不掺杂的钒酸钇晶体Nd³⁺:YVO₄/YVO₄，然后将晶体Nd₃₊:YVO₄/YVO₄取出，在反向固定进行同样操作，最终制备出原生三段式YVO₄/Nd³⁺:YVO₄/YVO₄钒酸钇激光晶体。该方法的不足之处在于在晶体生长过程中需要降温取出晶体，二次生长才能获得三段式YVO₄/Nd³⁺:YVO₄/YVO₄。不能一次长出目标晶体。

发明内容

本发明针对现在技术的不足，提供一种多段掺杂浓度梯度的石榴石复合晶体及其生长方法。采用同样的激光基质和激活离子不同的掺杂浓度，该多种掺杂浓度的晶体多段复合成一块晶体，此复合晶体具有很好的光学质量和热性质，可以作为优良的激光增益介质。

术语说明：

本发明所述的石榴石晶体，通式为Re₃B₂C₃O₁₂，A＝Y，Gd或Lu，B＝Sc，Al或Ga，C＝Al或Ga，具有石榴石结构。

本发明所述的激活离子掺杂的石榴石晶体，通式为(Ln_xRe_1-x)₃B₂C₃O₁₂，Ln＝Nd、Yb、Tm或Ho，0＜x＜1。x为掺杂浓度，是指激活离子Ln的掺杂浓度，单位为at％。