[发明专利]一种掺镱稀土钽酸盐飞秒激光晶体及其制备方法

说明书

本发明提供一种掺镱稀土钽酸盐飞秒激光晶体及其制备方法与半导体泵浦实现飞秒激光输出方式，涉及功能晶体材料及超快激光技术领域。该类激光晶体具有单斜对称结构，熔体组成成份一致共融，可以采用熔体法晶体制备工艺进行高质量制备。该晶体的化学式为Yb³⁺:RETaO₄，分子式为Yb_xRE_1‑xTaO₄，其中RE为La,Sc,Lu或Y；0x1；简写为Yb:RETO。由于掺杂的Yb³⁺离子在稀土钽酸盐晶体中处于一个对称破缺的强场耦合静态场内，有利于部分解除掺杂镱离子的宇称跃迁禁戒，增加了掺入镱离子的Stark能级劈裂，使得该晶体具有非常宽的发射光谱带宽，因而非常适合采用半导体激光泵浦锁模或调Q方式实现飞秒脉冲激光输出并取得应用。

技术领域

本发明涉及功能晶体材料及全固态激光技术领域，具体涉及一种具有超宽发射光谱带宽的掺镱(Yb³⁺)稀土钽酸盐飞秒激光晶体及其制备方法与半导体泵浦实现飞秒激光输出方式。

背景技术

自从上世纪80年代世界上第一台飞秒染料激光器诞生以来，经过近40年的发展，超快激光(飞秒激光)已然成为当今世界各国国民经济发展中重要的新兴产业之一，在工业加工与先进制造、通讯和信息、医学、军事科学等领域发挥着不可替代的作用，并且超快光学与超快激光技术已经成为光学与激光乃至物理学和信息科学领域研究最为活跃的热点之一，是世界激光科技的最新发展前沿和重点竞争领域。近十多年来就有两项诺贝尔物理学奖与飞秒激光技术直接相关，分别是：(1)美国物理学家约翰·霍尔和德国物理学家特奥多尔·亨施凭借着对激光的精密光谱学及光学频率梳技术(使用飞秒激光器产生光学频率梳)发展做出的贡献获得了2005年诺贝尔物理学奖；(2)美国物理学家阿瑟·阿什金、法国物理学家杰拉德·穆罗和加拿大物理学家唐娜·斯特里克兰由于在激光物理学领域的革命性发明获得了2018年的诺贝尔物理学奖，其中由杰拉德·穆罗与唐娜·斯特里克兰发明的啁啾脉冲放大技术(CPA)使得激光脉冲宽度的极限不断被突破，激光脉冲的峰值功率不断被提高。

目前，商业化的超快激光器主要以锁模钛宝石激光器为主，但是由于钛宝石晶体的吸收峰位于可见光波段，无法直接采用半导体激光二极管(LD)泵浦，通常只能采用氩离子激光器(波长515nm)或掺杂Nd³⁺的固体激光倍频得到的绿光(532nm)作为泵浦源，因而使激光器结构复杂，体积庞大，维护费用高，限制了其更广泛的发展与应用。近年来，随着LD技术的快速发展，科研人员开始探索可以利用LD泵浦直接实现飞秒激光输出的激光材料，并希望能研制出可以提供实际应用的高效率、小型化全固态超快激光器。其中，以掺Yb³⁺的激光材料备受关注，因为Yb³⁺的能级结构十分简单：只有基态(²F_7/2)和激发态(²F_5/2)两个能级。Yb³⁺的特殊能级结构使其比当前大量应用的Nd³⁺掺杂激光材料具有一些优点，如不存在上转换、激发态吸收和浓度猝灭等。另外，掺Yb³⁺的激光材料还具有一些独特的优点，如：(1)具有宽的发射光谱，有利于实现宽带调谐激光运转和超快激光输出；(2)激光运转过程中量子缺损较小，有利于降低在高泵浦功率下激光材料的热效应。

Yb³⁺掺杂的稀土钽酸盐晶体(Yb³⁺:RETaO₄，其中RE为La,Sc,Lu或Y)属于单斜对称晶系，晶体中Yb³⁺替代RE³⁺处于C₂对称的格点上，与周围8个氧原子配位，形成畸变的十二面体，造成Yb³⁺处于一个对称破缺的强场耦合静态场内，引起光谱非均匀展宽，有利于超短脉冲激光产生；另外，该种晶体的物理化学性能稳定，机械加工性能较好，热力学性能较好等，使得该种晶体表现出良好的实用价值和应用潜力，目前国内外还没有关于掺镱稀土钽酸盐飞秒激光晶体制备的报道。

发明内容

(一)解决的技术问题