一种自调Q的石榴石晶体及其制作的自调Q器件、自调Q脉冲激光器制造技术

本发明专利技术涉及一种自调Q的石榴石晶体及其制作的自调Q器件、自调Q脉冲激光器。自调Q的石榴石晶体Re3+,Cr4+:A3(ScxGa1-x)2Ga3O12，分子通式为(ReyCazA1-y-z)3(ScxGa1-x)2(CrzGa1-z)3O12，其中，Re＝Nd或Yb，A＝Y，Gd或Lu，0≤x≤1，0<y≤1，0.00001≤z≤0.1；通过把增益激活离子(Nd3+或Yb3+)和可饱和吸收离子Cr4+结合来实现相应波长的自调Q脉冲激光输出。共掺Nd3+和Cr4+离子的晶体Nd3+,Cr4+:A3(ScxGa1-x)2Ga3O12，可实现输出波长为0.9μm(4F3/2→4I9/2)和1.06μm(4F3/2→4I11/2)的自调Q脉冲激光；共掺Yb3+和Cr4+离子的晶体Yb3+,Cr4+:A3(ScxGa1-x)2Ga3O12)，可实现输出波长1μm(2F5/2→2F7/2)左右的自调Q脉冲激光。本发明专利技术的自调Q脉冲激光器具有结构简单紧凑、体积小、成本低和操作简单等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种自调Q的石榴石晶体及其制作的自调Q器件、自调Q脉冲激光器
本专利技术涉及一种自调Q的石榴石晶体及其生长方法和利用该晶体制作的自调Q器件、自调Q脉冲激光器，属于晶体生长和激光器件

技术介绍
调Q脉冲激光由于具有高的峰值功率，大的脉冲能量，和相对较短的脉冲时间等优势，在工业加工，遥感测量和军事对抗等领域具有很重要的潜在应用。调Q脉冲激光分为主动调Q激光和被动调Q激光。相对于主动调Q激光，被动调Q激光具有简单紧凑和低成本的结构配置，因而得到了更多的研究和关注。对于被动调Q激光，饱和吸收体是其重要的组成部分。通过利用饱和吸收体本身的可饱和吸收特性(即：在高能量密度激光照射时可达到吸收饱和的高透过率，而低能量密度激光照射时达到未吸收饱和的低透过率)对腔内激光产生过程的损耗进行调节，从而达到调Q激光输出的目的。产生被动调Q脉冲激光的饱和吸收体和激光增益介质如果分别进行设计会增加调Q激光器的空间复杂性和降低工作系统的稳定性，并限制其器件的集成小型化。通过把可饱和吸收激活离子和激光增益激活离子结合在一种基质中即可实现所谓的自调Q脉冲激光。此类自调Q器件具有更加简单紧凑的结构设计和更加低廉的加工成本，从而更有利于脉冲激光器的集成小型化。目前报道的自调Q材料主要有Re3+,Cr5+:LnVO4(Re＝Nd或Yb,A＝Y,Gd或Lu)和Re3+,Cr4+:Y3Al5O12(YAG)(Re＝Nd或Yb)。Nd,Cr4+:YAG和Yb,Cr4+:YAG自调Q晶体已在科研领域得到了广泛的研究。然而，对于此类晶体，掺进的Cr4+离子的半径比替代的四面体格位上的Al3+离子(和)大，因而导致Re,Cr4+:YAG晶体中Cr4+离子的分凝系数比较小。从而增加了晶体的应用长度及阻碍了自调Q器件的小型化。此外Cr4+离子在YAG中小的基态吸收截面和大的激发态吸收截面增加了的腔内非饱和吸收损耗从而影响了其饱和吸收调制性能。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种自调Q的石榴石晶体及其制作的自调Q器件、自调Q脉冲激光器。所述的自调Q的石榴石晶体是钕或镱与四价铬离子双掺镓石榴石或镓钪石榴石晶体。本专利技术还提供一种自调Q的石榴石晶体的生长方法。本专利技术还提供自调Q器件的制备以及一种自调Q脉冲激光器。本专利技术的技术方案如下：一种自调Q的石榴石晶体，通式为(ReyCazA1-y-z)3(ScxGa1-x)2(CrzGa1-z)3O12，其中，Re＝Nd或Yb，A＝Y，Gd或Lu，0≤x≤1，0<y≤1，0.00001≤z≤0.1；具有Ia-3d空间群结构。掺入Ca2+离子的作用是来进行电荷补偿以维持晶体内部的电荷平衡。本专利技术的自调Q的石榴石晶体用于自调Q脉冲激光器中可实现自调Q激光输出。根据本专利技术优选的，当掺杂Nd3+和Cr4+离子时，所述石榴石晶体可实现输出波长为0.9μm(4F3/2→4I9/2)、1.06μm(4F3/2→4I11/2)的自调Q脉冲激光；当掺杂Yb3+和Cr4+离子时，所述石榴石晶体可实现输出波长为1μm(2F5/2→2F7/2)左右的自调Q脉冲激光。对于掺杂Nd3+和Cr4+离子的晶体，优选的：Nd3+浓度0<y≤0.01，Cr4+浓度0.0001≤z≤0.01。进一步优选，0.005≤y≤0.01，0.0003≤z≤0.002。对于掺杂Yb3+和Cr4+离子的晶体，优选的：Yb3+浓度0<y≤1，Cr4+浓度0.0001≤z≤0.01。进一步优选，0.05≤y≤0.1，0.0003≤z≤0.002；Re3+(Nd3+或Yb3+)、Ca2+和A3+(Y3+,Gd3+或Lu3+)离子都占据十二面体格位，Sc3+和部分Ga3+离子占据八面体格位，Cr4+和剩下的Ga3+离子占据四面体格位。对于同一种A元素石榴石晶体，由于在八面体格位上，Sc3+离子的半径大于Ga3+离子(和)，伴随着Sc掺杂量的增加，其晶格常数呈现增长趋势。本专利技术的自调Q的石榴石晶体的生长方法，包括步骤如下：(1)以Re2O3,A2O3,Sc2O3,Ga2O3,Cr2O3，CaCO3为原料，按照通式(ReyCazA1-y-z)3(ScxGa1-x)2(CrzGa1-z)3O12中各组分的摩尔比分别计算称量原料，混合12小时后放到Pt坩埚在1000-1100℃烧结10小时；研磨混合得到粒径为微米级的石榴石多晶料。(2)将上述的石榴石多晶料装入气球捣实，在抽完真空后，在60-80MPa的等静水压下压制1-5min成圆柱形料棒，将料棒置于1000-1500℃的烧结炉中烧结6-8小时。(3)光浮区法生长自调Q的石榴石晶体：采用[111]方向的纯YAG籽晶，密封通氧的石英管内，在光浮区生长炉中下端旋转移动杆固定籽晶，上端旋转移动杆固定多晶料棒；升温至籽晶上端和多晶料棒下端熔化，移动使两者接触，向下移动籽晶和料棒开始晶体生长。籽晶上端不断地从熔体接触端固液界面析出晶体，向下移动的料棒不断地熔化补充熔区原料含量。通过调节氙灯的的加热功率和料棒的向下移动速度来实现收颈→放肩→等径→收尾晶体生长过程；其特征在于：生长过程中通入纯度≥99.9％的氧气，氧气流动速率为300mL/min，以使所述自调Q的石榴石内四面体上的Cr元素的价态为+4价，在900-1200nm波段具备可饱和吸收性质；上、下两个旋转移动杆的转速控制在15-20r/min，转动方向相反，以使生长时晶体与熔区的固液界面为微凸界面；收颈处的直径控制在2-3mm，放肩和收尾的晶体生长长度均要控制在5-10mm，以减少晶体内的生长缺陷，提高晶体的生长质量；生长完的晶体在1000℃的空气中下退火30-40h以消除晶体所存在的较大的热应力。根据上述生长方法，优选的，所述石榴石多晶料棒长度为4-10cm，直径为5-10mm。根据上述生长方法，优选的，[111]方向的YAG籽晶截面尺寸为4×4，长度为15-30mm。根据上述生长方法，优选的，晶体对接前的升温速度和生长完成后的降温速度为300-600℃/h。根据上述生长方法，优选的，所述自调Q的石榴石晶体生长速度为5-8mm/h。根据上述生长方法，优选的，等径段的所述自调Q的石榴石晶体直径为5-8mm，晶体长度为3-8cm。本专利技术的生长方法具有生长速度快，生长周期短。且生长过程中采用区域熔化的熔区，无坩埚，从而避免了坩埚污染。该方法可方便地制得厘米级所述自调Q的石榴石晶体。根据本专利技术提供一种自调Q器件，即所述的石榴石晶体自调Q器件，它是以本专利技术所述的自调Q的石榴石晶体沿[111]方向切割、两通光端面抛光后再镀以相应波长的介质膜或不镀膜制成。所述的自调Q的石榴石晶体的通光端面根据激光器内所需的晶体外形可设计为圆形，方形或其他特殊形状，通光方向晶体厚度为0.1-10mm。优选通光方向晶体厚度为0.5-5mm。在自调Q器件设计中优先选用的是晶体抛光后在两面镀以有利于泵浦光的吸收和激光振荡的介质膜,也可以只是精抛光不镀膜。以上所述的晶体的切割、抛光和镀膜在按激光晶体加工领域现有技术即可。根据本专利技术提供一种自调Q脉冲激光器，包括端面泵浦式和侧面泵浦式。1、所述的自调Q的石榴石晶体端面泵浦自调Q脉冲激光器所述的自调Q的石榴石晶体端面泵浦自调Q脉冲激光器包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自调Q的石榴石晶体，通式为(ReyCazA1‑y‑z)3(ScxGa1‑x)2(CrzGa1‑z)3O12，其中，Re＝Nd或Yb，A＝Y，Gd或Lu，0≤x≤1，0<y≤1，0.00001≤z≤0.1；简写为Re3+,Cr4+:A3(ScxGa1‑x)2Ga3O12，具有Ia‑3d空间群结构。

【技术特征摘要】
1.一种产生稳定脉冲激光的自调Q的石榴石晶体，通式为(ReyCazA1-y-z)3(ScxGa1-x)2(CrzGa1-z)3O12，其中，Re＝Nd或Yb，A＝Y，Gd或Lu，0<x≤1，0<y≤1，0.00001≤z≤0.1；具有Ia-3d空间群结构；当掺杂Nd3+和Cr4+离子时，所述石榴石晶体中，Nd3+浓度0<y≤0.01，Cr4+浓度0.0001≤z≤0.1；当掺杂Yb3+和Cr4+离子时，所述石榴石中，Yb3+浓度0.05≤y≤0.1，Cr4+浓度0.0003≤z≤0.002。2.如权利要求1所述的自调Q的石榴石晶体，其特征在于当掺杂Nd3+和Cr4+离子时，所述石榴石晶体能实现输出波长为0.9μm(4F3/2→4I9/2)、1.06μm(4F3/2→4I11/2)的自调Q脉冲激光。3.如权利要求1所述的自调Q的石榴石晶体，其特征在于当掺杂Yb3+和Cr4+离子时，所述石榴石晶体能实现输出波长为1μm(2F5/2→2F7/2)左右的自调Q脉冲激光。4.权利要求1-3任一项所述的自调Q的石榴石晶体的生长方法，包括步骤如下：(1)以Re2O3,A2O3,Sc2O3,Ga2O3,Cr2O3，CaCO3为原料，按照通式(ReyCazA1-y-z)3(ScxGa1-x)2(CrzGa1-z)3O12中各组分的摩尔比分别计算称量原料，混合12小时后放到Pt坩埚在1000-1100℃烧结10小时；研磨混合得到粒径为微米级的(ReyCazA1-y-z)3(ScxGa1-x)2(CrzGa1-z)3O12石榴石多晶料；(2)将上述的石榴石多晶料装入气球捣实，在抽完真空后，在60-80MPa的等静水压下压制1-5分钟成圆柱形料棒，将料棒置于1000-1500℃的烧结炉中烧结6-8小时；(3)光浮区法生长(ReyCazA1-y-z)3(ScxGa1-x)2(CrzGa1-z)3O12晶体：采用[111]方向的纯YAG籽晶，密封通氧的石英管内，在光浮区生长炉中下端旋转移动杆固定籽晶，上端旋转移动杆固定多晶料棒；升...

【专利技术属性】
技术研发人员：张怀金，王树贤，于浩海，王继扬，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37