[发明专利]一种铒离子自激活激光晶体及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种铒离子自激活激光晶体及其制备方法与应用，涉及激光晶体增益材料技术领域。自激活激光晶体的主要特点是发光离子是晶体基质的组成部分。在该晶体中，铒离子可作为激活发光离子在3微米中红外波段发光，同时铒离子可作为基质晶体的一部分来实现高浓度掺杂。本发明的自激活晶体中引用铕离子作为退激活离子以抑制铒离子在3微米发射存在的自终止“瓶颈”反应。该晶体可采用提拉法或者熔盐法进行生长。采用此类自激活激光晶体作为增益介质，利用中心发射波长在760～820纳米或940～980纳米的商用化激光器泵浦，可以实现3微米附近波段的高效中红外激光输出，在激光医疗、科学研究及国防军事等领域有着重要的应用前景。

技术领域

本发明涉及激光晶体增益材料技术领域，具体涉及一种铒离子自激活激光晶体及其制备方法与应用。

背景技术

3微米附近波段激光在通讯、环境监测、传感、生物医疗、工程控制、遥感探测、激光雷达和太空科研等领域具有广泛的应用前景。目前己报道的能够直接跃迁实现2.7-3.0微米中红外波段激光的稀土离子有铒离子(Er³⁺)：⁴I_11/2→⁴I_13/2、钬离子(Ho³⁺)：⁵I₆→⁵I₇和镝离子(Dy³⁺)：⁶H_13/2→⁶H_15/2等。铒离子是实现3微米附近波段激光输出的有效离子之一，因其丰富的能级，铒离子是一个非常受欢迎的活性离子。可见光发射可通过⁴S_3/2→⁴I_15/2跃迁，1.5微米近红外(NIR)发射对应⁴I_13/2→⁴I_15/2跃迁，3微米的中红外(MIR)发射对应⁴I_11/2→⁴I_13/2跃迁。再者，不同于钬离子和镝离子缺乏与稀土离子本征吸收相匹配的商用大功率激光器泵浦，铒离子有两个有利的吸收带，其峰值约为980纳米和808纳米，分别对应于⁴I_15/2→⁴I_11/2和⁴I_15/2→⁴I_9/2跃迁，这可以用商业化的980纳米或808纳米激光器泵送。泵浦光从基态⁴I_15/2吸收能量跃迁到⁴I_9/2能级或⁴I_11/2能级后，处于⁴I_9/2能级的铒离子会无辐射跃迁到⁴I_11/2，接着会发生两个辐射跃迁：⁴I_11/2→⁴I_13/2和⁴I_13/2→⁴I_15/2，对应发光波段为3微米和1.5微米。其中铒离子存在的量转移上转换过程Er³⁺:⁴I_13/2+⁴I_13/2→⁴I_9/2+⁴I_15/2，可以减少⁴I_13/2能级的布居数，从而缩短⁴I_13/2能级的荧光寿命，降低1.5微米的发射。同时处于⁴I_9/2能级的铒离子会无辐射跃迁到⁴I_11/2，增加⁴I_11/2能级的布居数，形成⁴I_11/2、⁴I_13/2上下能级之间的粒子数反转，从而增强⁴I_11/2→⁴I_13/2的3微米荧光发射跃迁。可见，能量转移上转换过程有助于实现增强3微米中红外发射和降低1.5微米近红外发射，并且3微米中红外发射强度会随着铒离子浓度的增加而增强。