一種自調q的石榴石晶體及其制作的自調q器件、自調q脈沖激光器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種自調Q的石榴石晶體及其生長方法和利用該晶體制作的自調Q器 件、自調Q脈沖激光器，屬于晶體生長和激光器件技術領域。
【背景技術】
[0002] 調Q脈沖激光由于具有高的峰值功率，大的脈沖能量，和相對較短的脈沖時間等 優勢，在工業加工，遙感測量和軍事對抗等領域具有很重要的潛在應用。調Q脈沖激光分為 主動調Q激光和被動調Q激光。相對于主動調Q激光，被動調Q激光具有簡單緊湊和低成 本的結構配置，因而得到了更多的研宄和關注。對于被動調Q激光，飽和吸收體是其重要的 組成部分。通過利用飽和吸收體本身的可飽和吸收特性（即：在高能量密度激光照射時可 達到吸收飽和的高透過率，而低能量密度激光照射時達到未吸收飽和的低透過率）對腔內 激光產生過程的損耗進行調節，從而達到調Q激光輸出的目的。產生被動調Q脈沖激光的 飽和吸收體和激光增益介質如果分別進行設計會增加調Q激光器的空間復雜性和降低工 作系統的穩定性，并限制其器件的集成小型化。通過把可飽和吸收激活離子和激光增益激 活離子結合在一種基質中即可實現所謂的自調Q脈沖激光。此類自調Q器件具有更加簡單 緊湊的結構設計和更加低廉的加工成本，從而更有利于脈沖激光器的集成小型化。
[0003] 目前報道的自調Q材料主要有Re3+，Cr5+:LnV04(Re=Nd或Yb，A=Y，Gd或Lu)和 Re3+,Cr4+:Y3A15012(YAG)(Re=Nd或Yb)。Nd,Cr4+:YAG和Yb,Cr4+:YAG自調Q晶體已在科研 領域得到了廣泛的研宄。然而，對于此類晶體，摻進的Cr4+離子的半徑比替代的四面體格位 上的Al3+離子（r( ,.=〇_41A和rAI=0.39A)大，因而導致Re，Cr4+:YAG晶體中Cr4+離子的分 凝系數比較小。從而增加了晶體的應用長度及阻礙了自調Q器件的小型化。此外Cr4+離子 在YAG中小的基態吸收截面和大的激發態吸收截面增加了的腔內非飽和吸收損耗從而影 響了其飽和吸收調制性能。

【發明內容】

[0004] 針對現有技術的不足，本發明提供一種自調Q的石榴石晶體及其制作的自調Q器 件、自調Q脈沖激光器。所述的自調Q的石榴石晶體是Re3+，Cr4+:A3 (ScxGai_x) 2Ga3012釹或鐿 與四價鉻離子雙摻鎵石榴石或鎵鈧石榴石晶體。
[0005] 本發明還提供一種Re3+，Cr4+:A3(ScxGai_x)2Ga3012石榴石晶體的生長方法。
[0006] 本發明還提供Re3+，Cr'AjSCxGahhGaPu自調Q器件的制備以及一種自調Q脈 沖激光器。
[0007] 術語說明：
[0008] Re'Cr'AjSqGahhGa^^釹或鐿與四價鉻離子雙摻鎵石榴石或鎵鈧石榴石 晶體的簡稱，Re=Nd或Yb，A=Y,Gd或Lu，0 <x< 1。
[0009] 本發明的技術方案如下：
[0010] - 種自調Q的石植石晶體，通式為（ReyCazAi-y-z) 3 (SCxGa^) 2 (CrzGa^z) 3012，其 中，Re=Nd或Yb，A=Y，Gd或Lu，0 彡x彡l，0〈y彡 1，0. 00001 彡z彡 0? 1 ;簡寫為Re3+，Cr^AdSc^Ga^hGa^，具有Ia_3d空間群結構。摻入Ca2+離子的作用是來進行電荷 補償以維持晶體內部的電荷平衡。
[0011] 本發明的自調Q的石榴石晶體用于自調Q脈沖激光器中可實現自調Q激光輸出。
[0012] 根據本發明優選的，當摻雜Nd3+和Cr4+離子時，Nd3+，Cr'AjSqGahhGa^晶體 可實現輸出波長為〇.9ym(4F3/2- 4I9/2)、1.06ym(4F3/2- 4111/2)的自調Q脈沖激光；
[0013] 當摻雜Yb3+和Cr4+離子時，Yb3+，Cr'AjSCxGa^hGaA^體可實現輸出波長為 lym(2F5/2- 2F7/2)左右的自調Q脈沖激光。
[0014] 本發明優選的，所述自調Q的石榴石晶體是下列之一，其中，0彡X彡1 :
[0015] a.Nd3.，Cr4+:Y3(ScxGah)2Ga3012晶體，
[0016]b.Yb3.，Cr4+:Y3(ScxGah)2Ga3012晶體，
[0017]c.Nd3+，Cr4+:Gd3(ScxGah)2Ga3012晶體，
[0018]d.Yb3.，Cr4+:Gd3(ScxGah)2Ga3012晶體，
[0019] e.Nd3.，Cr4+:Lu3(ScxGah)2Ga3012晶體，
[0020] f.Yb3.，Cr4+:Lu3 (ScxGah) 2Ga3012晶體。
[0021]對于摻雜NcT和Cr4+離子的晶體，優選的：Nd3+濃度0〈y彡0.01，Cr4+濃度 0? 0001 彡z彡 0? 01。進一步優選，0? 005 彡y彡 0? 01，0. 0003 彡z彡 0? 002。
[0022] 特別優選的，所述自調Q的石榴石晶體是Nd3+，Cr4+:Y3Ga5012,Nd3+，Cr4+: 6(1抑5012和 Nd3+，Cr4+:Lu3Ga5012。圖3所示為1mm厚的Nd3+，Cr4+:Y3Ga5012晶體[111]方向的非偏振吸收 譜圖。其中，Nd3+離子的摻雜濃度y= 0. 01，Cr4+離子的摻雜濃度z= 0. 00033。
[0023] 對于摻雜Yb3+和Cr4+離子的晶體，優選的：Yb3+濃度0〈y彡1，Cr4+濃度 0? 0001 彡z彡 0? 01。進一步優選，0? 05 彡y彡 0? 1，0. 0003 彡z彡 0? 002 ;
[0024] 特別優選的，所述自調Q的石榴石晶體是Yb3+，Cr4+:Y3Ga5012,Yb3+，Cr4+: 6(1抑5012和 Yb3+,Cr4+:Lu3Ga5012〇
[0025]Re3+(Nd3+或Yb3+)、Ca2+和A3+(Y3+,Gd3+或Lu3+)離子都占據十二面體格位，Sc3+和 部分Ga3+離子占據八面體格位，Cr4+和剩下的Ga3+離子占據四面體格位。對于同一種A 元素石榴石晶體，由于在八面體格位上，Sc3+離子的半徑大于Ga3+離子（rSl:=0.745A和 ;-Ga=0.620A )，伴隨著Sc摻雜量的增加，其晶格常數呈現增長趨勢。
[0026] 本發明的Re3+，Cr4+:A3(ScxGai_x)私3012晶體的生長方法，包括步驟如下：
[0027] (1)以Re203,A203,Sc203,Ga203,Cr203,CaC03為原料，按照通式（ReyCaA_y_z) 3 (ScxG 各組分的摩爾比分別計算稱量原料，混合12小時后放到Pt坩堝在 1000-1100°C燒結10小時；研磨混合得到粒徑為微米級的Re3+，Cr'AjSCxGahhGa^石榴 石多晶料。
[0028] (2)將上述的Re3+，Cr'AjSCxGa^hGaA石榴石多晶料裝入氣球搗實，在抽完真 空后，在60-80MPa的等靜水壓下壓制l-5min成圓柱形料棒，將料棒置于1000-1500°C的燒 結爐中燒結6-8小時。
[0029] (3)光浮區法生長Re3+，Cr4+:A3ScxGa5_x012晶體：采用[111]方向的純YAG籽晶，密 封通氧的石英管內，在光浮區生長爐中下端旋轉移動桿固定籽晶，上端旋轉移動桿固定多 晶料棒；升溫至籽晶上端和多晶料棒下端熔化，移動使兩者接觸，向下移動籽晶和料棒開始 晶體生長。籽晶上端不斷地從熔體接觸端固液界面析出晶體，向下移動的料棒不斷地熔化 補充熔區原料含量。通過調節氙燈的的加熱功率和料棒的向下移動速度來實現收頸一放肩 -等徑一收尾晶體生長過程；其特征在于：生長過程中通入純度多99. 9%的氧氣，氧氣流 動速率為30〇，以使1^3+，04+:4說知 1_!￡)私3012內四面體上的0元素的價態為+4 價，在900-1200nm波段具備可飽和吸收性質；上、下兩個旋轉移動桿的轉速控制在15-20r/ min，轉動方向相反，以使生長時晶體與熔區的固液界面為微凸界面；收頸處的直徑控制在 2-3_，放肩和收尾的晶體生長長度均要控制在5-10_，以減少晶體內的生長缺陷，提高晶 體的生長質量；生長完的晶體在1000°C的空氣中下退火30-40h以消除晶體所存在的較大 的熱應力。
[0030] 根據上述生長方法，優選的，Re3+，Cr'AjSqGahhGaA#晶料棒長度為4-lOcm， 直徑為5-10mm。
[0031] 根據上述生長方法，優選的，[111]方向的YAG籽晶截面尺寸為4X4,長度為 15-30mm〇
[0032] 根據上述生長方法，優選的，晶體對接前的升溫速度和生長完成后的降溫速度為 300-600。。/h〇
[0033] 根據上述生長方法，優選的，1^3+，〇4+:4 3(5〇!^1_丄633012晶體生長速度為5-8111111/ h〇
[0034] 根據上述生長方法，優選的，等徑段的Re3+，Cr'AjSc^GahhGa^晶體直徑為 5_8mm，晶體長度為3_8cm。
[0035] 本發明的生長方法具有生長速度快，生長周期短。且生長過程中采用 區域熔化的熔區，無坩堝，從而避免了坩堝污染。該方法可方便地制得厘米級 Re3.，Cr4+:A3 (SqGah) 2Ga3012晶體。
[0036] 根據本發明提供一種自調Q器件，即Re3+，Cr'AjSqGahhGa^自調Q器件，
[0037] 它是以本發明所述的Re3+，Cr^AjSCxGahhGa^晶體沿[111]方向切割、兩通光 端面拋光后再鍍以相應波長的介質膜或不鍍膜制成。
[0038]Re'Cr'AjSc^GahhGaA^通光端面根據激光器內所需的晶體外形可設計為 圓形，方形或其他特殊形狀，通光方向晶體厚度為〇.l-10mm。優選通光方向晶體厚度為 0? 5_5mm〇