[发明专利]掺钕和铈的钇铝石榴石激光晶体的生长技术

说明书

本发明涉及掺钕和铈的钇铝石榴石〔（Nd，Ce∶YAG〕激光晶体的引上生长方法。

直到目前为止（Nd∶YAG）单晶仍然是性能优良而且广泛应用的激光晶体。但这种晶体的激光效率不高，为了提高效率，许多科技工作者进行了大量研究。通常采用的也是比较成功的方法是在Nd∶YAG晶体中掺入所谓的敏化离子，利用敏化离子到Nd³⁺的能量转移来提高泵浦光源的利用率，从而提高Nd∶YAG晶体的激光效率。目前公认的最佳敏化离子是Cr³⁺，但在YAG晶体中，Cr³⁺→Nd³⁺的能量转移效率不高，而且转移时间太长，因此Cr³⁺的敏化效果不好。特别是在脉冲操作中几乎无明显效果。寻求Nd∶YAG晶体的更佳敏化离子是激光晶体研究中的一个重要课题。

Holloway^（1）等最早观察到YAG晶体中Ce³⁺→Nd³⁺的能量转移现象。但只是一个现象的观察，并未说明使用样品的情况，对能量转动的机理也未进行讨论。

КОВАЛеВА等^（2）在1977年的报导中指出，从Nd³⁺的荧光激发谱看，对于所用的两个样品而言，掺Ce³⁺后Nd³⁺的总荧光强度比Nd∶YAG晶体提高一倍和二倍，因而可以用Ce来敏化Nd∶YAG。但КОВАЛеВА所用的样品是熔体中自发结晶生长的片状单晶，而单晶的尺寸未加说明。其样品的Nd浓度分别为1.4和1.7（wt）%，Ce的浓度分别为0.4和0.8（wt）%。显然КОВАЛеВА所用的掺杂浓度远大于一般激光晶体中的Nd浓度。

Mares^（3）在其几篇报导中对YAG晶体中Ce³⁺→Nd³⁺的能量转移进行了仔细的研究。所用样品的Nd浓度为0.96（at）%，Ce的浓度为1.4×10^-3～2.8×10^-2（at）%（据Mares自称，所用样品由Kvapil提供）。Mares指出，Ce与Nd间既存在辐射能量转移，也存在无辐射能量转移。辐射能量转移的效率为14.2%，无辐射能量转移是通过偶极-偶极作用和偶极-四极作用进行的，由于这一过程的发生，Ce³⁺的荧光寿命从Ce∶YAG的60ns降到双掺的32～39ns。Mares还指出，在低Ce³⁺浓度情况下，（Ce³⁺→Ce³⁺）_O→Nd³⁺的多阶过程产生的可能性不大，但Ce³⁺浓度高时，有产生这种多阶过程的可能。不过，按Jacobs^（4）的报导，在高浓度时可能出现Ce³⁺的激发态吸收。

Kvapil^（5）等曾利用掺Ce来改进Nd∶YAG的激光性能。他们认为，虽然在YAG晶体中有Ce³⁺→Nd³⁺的能量转移，可以用来提高激光效率，但 能量转移的效率不高，而且大量的Ce掺入会象掺Cr³⁺一样严重降低晶体的光学质量。因此掺大量的Ce³⁺来敏化Nd³⁺的总体使用效益不高。基于这一观点，他们掺Ce³⁺的目的不是利用Ce³⁺的敏化作用，而是利用少量Ce³⁺来抑制Nd∶YAG晶体的瞬时色心和加强不等效晶位Nd³⁺间的能量转移，从而提高激光效率。Kvapil指出，少量Cr³⁺掺入，特别是同时掺入少量Ce³⁺，可以有效地抑制瞬时色心的形成，从而提高连续激光输出。但当Cr³⁺和Ce³⁺的浓度高于10^-2（at）%时，这种抑制瞬时色心形成的作用减弱和消失。对于脉冲激光输出，掺Ce和Cr的Nd∶YAG与（Nd，Ti）∶YAG类似。

Kvapil报导的（Nd，Ce）∶YAG中Nd的浓度为0.6～0.7（wt）%，Ce的浓度为8×10^-4（wt）%、3×10^-3（wt）%和2×10^-2（at）%。在（Nd，Cr，Ce）∶YAG中Nd和Ce的浓度也是如此。