[發明專利]一種多段摻雜濃度梯度的石榴石復合晶體及其生長方法

有效

• 申請號: 201210016919.0
• 申請日: 2012-01-19
• 公開（公告）號: CN102534790A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 張懷金;武奎;于浩海;王繼揚
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C30B29/28
• 分類號: C30B29/28;C30B13/00;H01S3/16
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 苗奎

技術領域

本發明涉及一種多段摻雜濃度梯度的石榴石復合晶體及其生長方法，具體涉及到應用于高功率激光器件領域。

背景技術

激光二極管(LD)泵浦的固體激光器具有結構緊湊、效率高、穩定性好、壽命長等優點，在科研、醫療、通訊、軍事等領域有著廣闊的應用前景。作為固體激光器中的關鍵部分，稀土離子或過渡金屬離子摻雜的增益介質已經得到很多的研究和應用，其中石榴石和釩酸鹽晶體應用的較為廣泛。傳統的增益介質通常采用單一摻雜濃度的晶體結構，這種增益介質在較高的泵浦功率下，由于溫度的升高決定于泵浦功率密度和晶體中的摻雜離子濃度。一般來說，當離子濃度固定時，泵浦功率密度越高，在該位置的溫度就會越高，產生大的溫度梯度。由于溫度梯度和晶體膨脹的影響，在該位置會產生較高的熱應力，有可能導致增益介質破裂，這一問題極大制約激光器輸出功率的進一步提高。產生高功率激光，把激光器產生的廢熱的及時輸運出來，是獲得高功率激光輸出的關鍵因素。為了獲得高功率的激光輸出，人們采用了多種途徑，(1)研究探索熱導率更高的激光基質材料；(2)加強激光器的制冷效率；這些都取得了良好的效果。同時人們也在激光器激光工作物質的設計上做了大量工作，設計了板條激光器，盤片激光器和把激光工作物質做成光纖，成為光纖激光器，獲得了高功率和高光學質量的激光輸出。為了改善激光工作物質中溫度分布以及其決定的熱應力分布，近年來，又出現一種提高激光輸出功率的方法，就是采用復合晶體提高增益介質吸收光分布的均勻性。所謂復合晶體就是把摻質晶體和不摻質晶體采用生長、熱鍵和等方法把兩種或更多的激光材料復合到一起。基于能量均分方法，復合晶體采用多段激活離子濃度梯度摻雜結構，可很好地提高增益介質吸收光分布的均勻性，改善溫度梯度變化和降低熱應力，使之有很好的潛力應用在高平均功率、高光束質量激光器上。2006年，Chen等計算了增益介質分別為9段和17段時，雙側面泵浦寬度16mm復合板條增益介質的溫度分布，相對單一摻雜濃度的激光晶體其溫度分布均勻性得到了極大的提高(Chen?Bin，Chen?Ying，Bass?M，IEEE?Journal?of?Quantum?Electronics，42，483-488(2006)).

到目前為止，報到生長此類復合晶體的方法主要包括：水熱法，提拉法、液相外延法、熱鍵合法。但是這些生長方法都有自身的缺點：水熱法生長過程復雜不易生長大尺寸，提拉法生長的復合晶體質量差，界面存在大量氣泡和包裹物等缺陷，液相外延法生長過程不可控制，復合層難達到較高的厚度，熱鍵合法對工藝要求比較高，制作過程對環境要求高，條件比較苛刻，鍵合的晶體界面對激光有損耗。CN101880908A(CN200910111635.8)提供了一種原生多段式釩酸釔激光晶體的制備方法，它是利用助熔劑法，先在摻稀土釩酸釔激光晶體的一端生長出一定厚度的不摻雜的釩酸釔晶體Nd³⁺:YVO₄/YVO₄，然后將晶體Nd₃₊:YVO₄/YVO₄取出，在反向固定進行同樣操作，最終制備出原生三段式YVO₄/Nd³⁺:YVO₄/YVO₄釩酸釔激光晶體。該方法的不足之處在于在晶體生長過程中需要降溫取出晶體，二次生長才能獲得三段式YVO₄/Nd³⁺:YVO₄/YVO₄。不能一次長出目標晶體。

發明內容

本發明針對現在技術的不足，提供一種多段摻雜濃度梯度的石榴石復合晶體及其生長方法。采用同樣的激光基質和激活離子不同的摻雜濃度，該多種摻雜濃度的晶體多段復合成一塊晶體，此復合晶體具有很好的光學質量和熱性質，可以作為優良的激光增益介質。

術語說明：

本發明所述的石榴石晶體，通式為Re₃B₂C₃O₁₂，A＝Y，Gd或Lu，B＝Sc，Al或Ga，C＝Al或Ga，具有石榴石結構。

本發明所述的激活離子摻雜的石榴石晶體，通式為(Ln_xRe_1-x)₃B₂C₃O₁₂，Ln＝Nd、Yb、Tm或Ho，0＜x＜1。x為摻雜濃度，是指激活離子Ln的摻雜濃度，單位為at％。