[发明专利]一种具有锆英石结构钒酸盐复合激光晶体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合钒酸盐激光晶体及其制备方法，具体涉及到应用于高功率激光器件领域。

背景技术

激光由于其高的相干性、高能量密度、方向性等特点，已经广泛的应用于科研、医疗、通讯、军事等领域，可以说激光已经并且正在改变着社会以及人们的生活方式。作为固体激光器中的关键部分，激光增益介质决定了激光的特性及其应用范围。到目前为止，稀土离子或过渡金属离子掺杂的激光晶体已经进行了比较深入的研究和获得了广泛的应用，成为激光增益介质家族中不可替代的一部分，推动了激光器的发展，“一代材料，一代器件”，因此激光晶体也成为了激光器的发展的标志。在激光晶体中，具有锆英石结构的钒酸盐激光晶体具有良好的物理、光谱和激光性能，成为研究和应用最为广泛的一类，也一直是人们探索的重点和热点。而在激光产生的过程中，由于量子效率、散射等因素，使得晶体内部产生了不可避免的热量，而产生的热效应是限制激光光束质量、激光效率和最大输出能量(也就是高功率激光的“三高”问题)的主要因素之一。如何尽量减小热效应对激光晶体的影响，是目前激光器研究特别是高功率激光器研究的重要课题。为了获得“三高”的激光输出，人们采用了多种途径取得了良好的效果，从激光晶体和制冷方式两方面进行研究，综合来说也就是：(1)探索热学性质更好的激光基质材料；(2)加强激光器的制冷效率；(3)激光工作物质的制冷方式上的设计，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，成为晶体光纤激光器，获得高功率和高光学质量的激光输出。而无论是利用哪一种方式，其热量都是通过激光晶体的侧面导出，因此侧面的有效制冷面积决定了晶体内部累计的废热以及其产生的热效应的大小。通过增加有效制冷面积及其热量传播方式，是目前最为有效地制冷方式之一。复合晶体是解决上述问题获得高功率激光输出的重要途径。所谓复合晶体就是把掺质晶体和不掺质晶体采用生长、键和等方法复合到一起。这样使得在掺杂晶体中产生的热量，会通过扩散传递到未掺杂的部分，使得晶体的热量传输方式从简单的由晶体内部的横向传输变为横向和纵向同时制冷，也就是变相的增加了有效制冷面积，增加了晶体能承受的最大泵浦能量从而实现更高的激光输出，解决高功率激光的“三高”问题。参见Huai-Chuan Lee，Patrick L.Brownlie，Helmuth E.Meissner，Edward C.Rea，Jr.，Proc.SPIE 1624，2(1991)。

制备复合晶体现有技术主要包括：水热法，提拉法、液相外延法、热键合法。中国专利文件CN1477239A(CN03141528.8)提供一种复合激光晶体的生长方法，采用水热法直接在掺杂YAG激光单晶(Nd:YAG或Yb:YAG)的两端生长YAG晶体，形成复合激光晶体材料。CN1445388A(CN03116631.8)公开了一种掺钕铝酸钇和铝酸钇复合激光晶体的制备方法，它是将晶面方向为(010)或(100)或(001)的Nd:YAP单晶衬底作大面积籽晶，在YAP单晶的结晶温度下，在电阻加热液相外延炉中与含有YAP多晶料的助熔剂饱和溶液接触的两个界面上生长等厚的YAP单晶，形成YAP/Nd:YAP/YAP复合激光晶体，该晶体的两种晶体间无明显分界、晶体完整性好、重复性好。

以上现有技术的生长方法都有自身的缺点：水热法生长过程复杂不易获得长的晶体；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。以前报道的复合晶体的制备都不是通过一次晶体生长得到的。所以想要生长大尺寸，工艺简单的高质量复合晶体(通过一次晶体生长过程)制备方法，同时能消除不同激活离子界面间的光损耗，需要寻找其他合适的方法来制备晶体。

发明内容

本发明针对现在对高功率激光器件的迫切需求，提供一种具有锆英石结构钒酸盐复合激光晶体的生长方法。

术语说明：

锆英石结构钒酸盐晶体，通式为ReVO₄，其中Re＝Y，Gd或Lu。

复合激光晶体，是具有锆英石结构的钒酸盐晶体，采用掺杂激活离子和不掺杂激活离子的晶体，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。

本发明所述的掺杂浓度x是指激活离子Ln的掺杂浓度，单位为at％。

本发明的技术方案如下：