[发明专利]掺镱镥钆镓石榴石激光晶体及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型激光晶体及其生长与应用，特别涉及掺镱镥钆镓石榴石激光晶体（Yb:LGGG）、生长方法和应用，属于晶体与器件技术领域。

技术背景

激光是20世纪最伟大的发明之一，它具有相干性好、方向性好、亮度高等优异特性。自1960年第一台红宝石激光器诞生以来，激光技术在小型化、高功率、窄脉冲等方面呈现快速发展趋势，并广泛应用于工业、军事、医疗、通讯等领域，开创了光学领域的崭新局面，促进了光电子技术的发展。

目前激光器种类繁多，按工作物质分类，可分为气体、固体、染料和半导体激光器等。其中固体激光技术作为当今信息、工业、国防等重要领域不可替代的尖端技术，受到人们的广泛关注。激光工作物质是固体激光技术发展的核心和基础，因此高效激光材料对于固体激光的发展具有里程碑般的意义。

掺镱钆镓石榴石晶体（Yb:GGG）是一种有潜在应用价值的激光材料：一方面，激活离子Yb³⁺具有很多优异特性：①能级结构简单，仅有两个电子态（基态²F_7/2和激发态²F_5/2），不存在激发态吸收和上转换，光转换效率高；②泵浦波长与激光发射波长接近，理论上量子效率可高达90%；③在相对较高的掺杂浓度下也不会出现浓度淬灭；④荧光寿命长，有利于储能。另一方面，钆镓石榴石具有机械性能好、热导率高、硬度大、物理化学性质稳定等优点，可通过提拉法实现大尺寸、无核心晶体生长，是高功率激光输出的优选基质材料。因此，人们对掺镱钆镓石榴石晶体的热学、光谱和激光性能进行了广泛研究。通过深入的研究发现，Yb³⁺的离子半径小于Gd³⁺，因此，其在晶体中的有效分凝系数大于1，这会导致Yb³⁺在晶体中的浓度从上到下逐渐减小。尤其在生长大尺寸的晶体时，原料的使用量将非常大，这时晶体中的浓度梯度问题将更加突出。晶体中Yb³⁺掺杂的不均匀，将导致晶体的光学均匀性差，直接影响激光的光束质量。此外，分凝系数远大于1时，会给晶体生长也带来一系列问题，比如：组分过冷问题、生长界面不稳定问题等。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种掺镱镥钆镓石榴石激光晶体及其制备方法与应用。该掺镱镥钆镓石榴石晶体可实现高效连续和脉冲激光输出。

本发明的技术方案如下：

一种掺镱镥钆镓石榴石激光晶体，该晶体的分子式为(Yb_yLu_xGd_1-x-y)₃Ga₅O₁₂，0<x<1,0.01≤y≤0.5，且x+y≤1。

该晶体属于立方晶系，空间群为O_h(10)-Ia3d。其中，Yb³⁺和Lu³⁺都是取代晶体十二面体格位的Gd³⁺。

掺镱镥钆镓石榴石激光晶体，化学式为Yb:(Lu_xGd_1-x)₃Ga₅O₁₂，其中，Yb³⁺的掺杂浓度为1-50at.%。Yb³⁺作为激活离子，在激光二极管（LD）或者其他激光器泵浦下，可实现1μm附近连续和脉冲激光输出。

根据本发明优选的，分子式(Yb_yLu_xGd_1-x-y)₃Ga₅O₁₂中，x=0.05-0.25,y=0.05-0.45；进一步优选的，x=0.05,y=0.05-0.15。

一种掺镱镥钆镓石榴石晶体的制备方法，采用熔体提拉法生长，步骤如下：

（1）多晶料合成