[发明专利]自调制激光基质晶体Cr4+,Yb3+∶Y3Al5O12

说明书

本发明是关于一种新型的自调制激光基质晶体Cr⁴⁺，Yb³⁺∶Y₃Al₅O₁₂(YAG)。

早在1983年，中国电子工业部11所的桂尤喜、冀天来等人就在色心Nd∶YAG晶体中发现了可饱和吸收现象，并成功研究和开发出色心Nd∶YAG调制器和色心Nd∶YAG自调Q激光器，研究成果可参阅：激光与红外，10(1983)P.25～38。1988年，苏联科学家B.Angert等人在Cr⁴⁺∶YAG晶体中获得1300-1500nm可调谐的Cr⁴⁺激光输出，发表在：Sov.J.Quantum Electron.Vol.18，No.l(1988)P.73-74。同时Cr⁴⁺∶YAG晶体作为一种性能优良的可饱和吸收体，被广泛用作被动调Q开关。并由此确认我国电子工业部11所发明的色心Nd∶YAG晶体就是Cr⁴⁺，Nd∶YAG晶体，具有自调Q特性。

Yb³⁺∶YAG晶体是一种用于LD(激光二极管)泵浦高功率激光晶体，它具有荧光寿命长(1.2ms)、无浓度猝灭、上转换和激发态吸收，材料热效应低(为Nd∶YAG的1/4)，900～1100nm宽带吸收、光转换效率高达70％等优点。美国Lawrence Livermore NationalLaboratory(LLNL)实验室、林肯实验室和德国Stuttgart大学纷纷展开研究，参阅文献：Appl.Phys.B.58(1994)365-372.1991年林肯实验室P.Lacovara等人首次采用InGaAs半导体激光泵浦Yb³⁺∶YAG获得1.030mm室温激光输出，光斜率效率＞25％，参阅文献：Optics Letters，Vol.16，No.14(1991)P.1089～1091。随着InGaAs半导体激光器或列阵成本的降低，LD泵浦Yb³⁺∶YAG激光器将会商品化。

综上所述，目前仅有的自调Q激光基质晶体是Cr⁴⁺，Nd：石榴石(YAG，GSGG等)，但考虑到在这一晶体中，Nd³⁺的掺杂浓度低，对应的Cr⁴⁺离子的浓度调节范围窄，同掺Nd³⁺，Ca²⁺，Cr⁴⁺等离子晶体生长困难，器件结构和输出特性受到限制，有必要寻找另外的性能更好的自调Q激光材料。Yb³⁺，Cr⁴⁺∶YAG作为一种新型的自调Q激光晶体材料，可以克服以上缺点。

本发明的目的在于寻找一种新型的自调制激光基质晶体Cr⁴⁺，Yb³⁺∶YAG，它不仅可高掺杂，而且生长容易。可直接采用InGaAs半导体激光泵浦，在不外加调制元件(如LiF色心、染料和主动调制)的情况下，实现自调Q1.030mm激光输出。

本发明的关键技术是在YAG晶体基质中同时产生Yb³⁺和Cr⁴⁺离子，用Cr⁴⁺离子的可饱和吸收特性对Yb³⁺的1.030mm激光实现自调Q。

本发明提出在YAG晶体生长配方中分别掺入Yb₂O₃，Cr₂O₃和CaO(或Mg)等三种合适比例成分原料，其中Ca²⁺(或Mg²⁺等)离子作为补偿离子，这样在YAG晶体中就能实现Yb³⁺和Cr⁴⁺离子同时共存。

本发明的Cr⁴⁺，Yb³⁺∶Y₃Al₅O₁₂晶体的原料配方为：其中X=0.1～0.25，Y=0.001～0.01，Z=0.001～0.01。

本发明所用的提拉法(Czochralski)生长Cr⁴⁺，Yb³⁺∶YAG晶体的装置为普通的中频感应加热单晶炉。它包括铱(Ir)坩埚、真空系统、中频感应发生器电源和温控系统等部分。