[發(fā)明專利]一種釹離子摻雜氟化物激光晶體

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210090797.X
• 申請日: 2012-03-30
• 公開（公告）號: CN102534776A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蘇良碧;李紅軍;徐軍;王慶國;鄭麗和;錢國興;姜大朋;唐慧麗
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C30B29/12
• 分類號: C30B29/12;C30B15/00;C30B11/00
• 代理公司: 上海瀚橋?qū)＠硎聞账?普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于人工晶體和激光材料領(lǐng)域，具體地涉及到一種新的激光晶體材料。

背景技術(shù)

激光科學技術(shù)經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，超強、超短脈沖激光是其發(fā)展前沿。超強、超短激光為人類開展科學研究提供了全新的實驗手段與極端的物理條件，推動著物理、化學、生物、材料等多個自然基礎(chǔ)科學向更深層次發(fā)展，以及信息科學技術(shù)的進步。當前，超強超短激光技術(shù)正在向新一代、全LD泵浦方式發(fā)展，所采用的激光介質(zhì)主要是摻Nd玻璃和摻Y(jié)b晶體。

其中，Yb³⁺離子的4f¹³電子軌道與晶場耦合作用強，即使在單晶體中也能形成寬的吸收和發(fā)射光譜。但是，Yb³⁺離子的激光運轉(zhuǎn)是典型的三能級系統(tǒng)，激光下能級因粒子熱布居而形成高的激光閾值，激光輸出性能具有強的溫度依賴性。必須把激光介質(zhì)冷卻到低溫(＜100K)，才能實現(xiàn)Yb³⁺離子的四能級激光運轉(zhuǎn)。這就極大地增加了激光器結(jié)構(gòu)的復雜性，特別是不利于小型化、便攜式飛秒激光器的發(fā)展。

相對于Yb³⁺離子，Nd³⁺離子1.06μm激光運轉(zhuǎn)室溫下的能級結(jié)構(gòu)為四能級系統(tǒng)，閾值低、激光穩(wěn)定性和光束質(zhì)量受溫度影響小；而且，所需要的發(fā)射波長800-810nm的LD泵浦源價格便宜，且發(fā)射波長在800-810nm范圍內(nèi)可選，不需要通過溫度控制實現(xiàn)與激光晶體的吸收帶匹配。但是，Nd³⁺離子4f³電子軌道與晶場的耦合作用較弱，吸收和發(fā)射光譜相對較窄，必須摻雜于無序結(jié)構(gòu)的玻璃介質(zhì)中，通過非均勻加寬效應后，才能適用于超快激光輸出。例如，意大利科學家Agnesi等采用Nd硅酸鹽玻璃實現(xiàn)了LD泵浦的80fs超快激光輸出。特別是，這一激光系統(tǒng)沒有三能級系統(tǒng)的Yb超快激光器中必須采用的對LD泵浦源和激光介質(zhì)進行溫度控制的水冷設(shè)備。但是，玻璃介質(zhì)差的熱學性質(zhì)將制約其實用化，特別是無法適用于高重頻工作的超快激光運轉(zhuǎn)，使得四能級系統(tǒng)的Nd離子與三能級系統(tǒng)的Yb離子在超快激光領(lǐng)域的競爭中處于劣勢。

因此，探索在熱導率高的晶體基質(zhì)中實現(xiàn)Nd³⁺離子的寬光譜有望解決其在全LD泵浦超強超短激光領(lǐng)域的應用瓶頸。由于特殊的晶體結(jié)構(gòu)，Nd³⁺離子摻雜的二價陰離子氟化物晶體(MeF₂，Me＝Ca，Sr，Ba，Cd，Pb等)往往具有寬帶吸收和發(fā)射光譜，但是由于Nd³⁺在這類晶體中特別容易形成團簇結(jié)構(gòu)，導致強烈的熒光猝滅效應而無法獲得有實際意義的激光輸出。本發(fā)明專利就是通過共摻一價態(tài)的陽離子，在獲得近紅外波段寬帶發(fā)射光譜的同時，降低具有寬帶發(fā)光譜的摻Nd氟化物晶體的熒光猝滅效應，提高其熒光壽命。

發(fā)明內(nèi)容

Nd離子是激光材料中最常用的激活離子之一，可采用LD泵浦，其四能級結(jié)構(gòu)具有低的激光閾值、高激光效率，等等。但是，Nd離子摻雜的激光晶體因為具有窄線寬的發(fā)射光譜而不能實現(xiàn)LD泵浦的飛秒激光輸出。本發(fā)明即是在單晶體中實現(xiàn)Nd離子的寬帶發(fā)射光譜，同時具有長的熒光壽命(ms量級)。

本發(fā)明提供一種釹離子摻雜氟化物激光晶體，在氟化物激光晶體-MeF₂中還摻雜有作為與所述釹離子Nd³⁺共摻的一價態(tài)陽離子M⁺。

本發(fā)明采用二價陰離子氟化物晶體MeF₂作為Nd³⁺的基質(zhì)晶體。這類晶體具有類似于Nd玻璃的寬帶發(fā)射光譜，但是Nd³⁺特別容易形成團簇結(jié)構(gòu)，導致強烈的熒光猝滅效應而無法獲得有實際意義的激光輸出。本發(fā)明在Nd:MeF₂晶體中通過共摻一價態(tài)的陽離子M⁺，在保持其寬帶發(fā)射光譜特性的前提下，降低Nd離子的熒光猝滅效應，提高熒光壽命。

本發(fā)明的氟化物激光晶體采用釹離子Nd³⁺和一價陽離子M⁺共摻，可以在晶格中形成一種新的格位結(jié)構(gòu)[Nd³⁺-M⁺]對。這能夠更加豐富體系的格位結(jié)構(gòu)，促進光譜的進一步非均勻展寬。