[发明专利]一种晶体材料、其制备方法及作为激光晶体的应用

说明书

本申请公开了一种晶体材料，化学式为Nd_xCr_yY_3‑xAl_5‑yO₁₂，其中，0.006≤x≤0.008，0.0045≤y≤0.0055，1.2≤x/y≤1.6；Nd³⁺取代晶体中Y³⁺的格位，Cr³⁺取代晶体中Al³⁺的格位。Cr对Nd具有良好的敏化作用，增强了晶体对泵浦光的吸收，吸收强度比较大，而且吸收波段比较宽，与商业化的蓝光半导体泵浦源相匹配。基于该晶体，采用蓝光LD泵浦+倍频的技术方案可实现344nm紫外波段激光。

技术领域

本申请涉及一种新型的激光晶体材料、其制备方法及应用，属于无机晶体材料领域。

背景技术

紫外激光器在光数据存储、微加工、光刻技术、光化学、光生物学等领域有广泛的应用前景，相对于长波长激光来说，用短波长紫外激光加工有其独特的优点，它通过直接破坏连接物质原子组分的化学键进行“冷”加工，不产生对外围的加热，因此成为加工薄橡胶和塑料之类脆弱物质的理想工具，也使得其在金属、半导体等许多物质上进行打孔、切割和作标记成为可能，而且由于它具有良好的聚焦性能和较高的分辨率，成为光雕刻、3D打印、高精度电路板、太阳能电池、LED导电膜加工、晶片打标、微细钻孔等激光加工的最理想激光光源。

近年来紫外激光器的发展非常迅速，功率在瓦级以上的高重频全固态激光器不断应用于加工领域，国内外研究机构和公司不断向更高功率(数十瓦级)、更高重频(几十甚至几百kHz)方向发展。紫外激光器目前国际市场价格也在不断提升，约为2-5万美元/瓦，中大功率全固态紫外激光器市场大多被国外厂商占据。随着紫外激光技术的进步以及成本的降低，越来越多的行业开始使用紫外激光器，比如半导体照明、太阳能电池及集成电路行业，全固态紫外激光器正处于替代其它加工方式的重要发展阶段，市场增长迅速。

目前平均功率在5-10W的紫外激光器已经达到实用化水平，我国紫外固态激光器大多数采用Nd:YAG或Nd:YVO₄作为增益介质，通过倍频产生266nm、355nm紫外激光^[1-2]，虽然已经取得了长足的进步，但与国际水平相比还存在很大的差距，尚需不断加强研究的深度和广度。最突出的问题是市场上的紫外全固态激光器性能不稳定，返修率高，功效不够高，而且脉宽和重频低，急需开发新一代高功率、高稳定性的紫外激光材料及器件，具有高功效、高重复率、性能可靠、光束质量高、稳定性高等特点，直接投入市场应用。

根据市场调研及文献查阅^[3-7]，与市场上广泛应用的单掺Nd:YAG晶体相比，双掺的Cr,Nd:YAG晶体具有以下优点：

(1)X射线结构分析证实：由于Cr、Nd离子的成对排列和体积补偿作用，一定程度上减小了晶格畸变，使得掺杂均匀；

(2)干涉条纹法证实：晶体光学均匀性更好；

(3)抗辐照实验证实：抗近紫外辐照能力较好；

(4)从已经获得的激光性能来看，其连续运转的阈值低、效率高、激光模式好。

在研究中，我们发现在Nd:YAG中掺入了微量的Cr³⁺之后，在400～600nm微米波长范围内，明显地增加了两个宽而强的吸收带，因此，Cr离子作为一种敏化剂，以共振传递的形式传递能量，能有效地利用光泵的辐射，从而对Nd³⁺吸收600nm以下的光能量给予有益的贡献。而这种激光特性与晶体生长质量有密切的关系，由于Cr离子分凝系数大于1，在提拉法法生长该晶体时容易导致上下端Cr掺杂浓度分布不均匀，切割加工的晶体棒在用于激光器时导致功效低下，制作的紫外激光器在用于工业用途时性能不稳定，设备返修率高，因此从事工业激光器生产的厂家选择从美国进货Cr,Nd:YAG晶体，价格奇高，导致激光器成本高。