专利名称：高效抗辐射Yb的制作方法
技术领域：
本发明属于功能晶体材料领域，具体的说是一种高效抗辐射含钪石榴石类激光晶体。
背景技术：
在空间科学研究中，激光器可能会受到γ射线和高能粒子的照射，从而要求激光器能够抗射线辐射和抵御高能粒子的冲击，因此高效抗辐射激光材料对于空间激光技术的发展具有重要的意义。
含钪石榴石晶体A3Sc2B3O12[A＝Gd，Y，Lu；B＝Ga，Al]是性能优良的激光工作基质，晶体结构属于立方晶系，可以采用熔体提拉法生长出高光学质量的单晶。Danileiko等人(Yu.K.Danileko et al.Sov.J.Quantum Electron.，1985，15286)报道了Nd，Cr:GSGG(Gd3Sc2Ga3O12)即使在γ射线剂量超过100Mrad时仍未达到它的损伤阈值，而Nd:YAG(Y3Al5O12)激光器在受到1Mrad的γ射线辐照后，其激光输出下降了一个数量级。因为在含钪石榴石晶体中，位于八面体氧配位中心的Sc原子与GGG、YAG晶体中相同位置的Ga和Al原子相比，具有较高的共价特点和键的有序性，抵抗形成色心的能力增强，因此具有强的辐抗射能力。这说明含钪石榴石类晶体是一种强的抗辐射材料，比YAG更适合在空间环境中使用，Er3+离子的1.5μm和2.7-3μm波段激光在医疗、光通讯、科学研究及军事等领域有着重要的应用。但在单掺Er3+的激光材料中，由于Er3+在InGaAs激光二极管发射波长(0.9-1.1μm)的吸收较弱，影响了抽运效率。为了提高泵浦效率，对Er3+离子进行敏化很有必要。由于Yb3+能与InGaAs发射波长有效耦合，有较强吸收，并且Yb3+(2F5/2)的发射带和Er3+(4I11/2)的吸收带有较大的重叠，使得Yb3+能对Er3+进行有效的敏化，将吸收的能量转移给Er3+离子，可达到提高对泵浦光吸收效率和降低激光振荡阈值的目的。近年来，InGaAs940nm高功率激光二极管阵列的制造技术已经成熟并商品化，由于Yb3+离子在940nm附近处不仅有大的吸收截面而且吸收带也较宽，不需严格控制激光二极管的温度，因而可大大降低激光器的复杂程度，有利于设备小型化，这对于在空间科学中的应用是非常重要的。由于基质A3Sc2B3O12本身具有抗辐射功能，所以Yb，Er:A3Sc2B3O12晶体是一种高效抗辐射的激光材料，除可满足一般应用的需要，也尤其适合空间环境应用的需要。
在上世纪七八十年代，由于当时Sc2O3原料非常昂贵，从而限制了含钪石榴石晶体的研究和发展。近年来，随着应用需求和提取技术的迅速发展，Sc2O3的价格有了较大幅度的降低。所以，近些年来，国外含钪石榴石晶体的研究又重新兴起。据检索，目前国内外都还没有关于Yb，Er:A3Sc2B3O12类含钪石榴石晶体的报道。
发明内容
本发明的目的在于公开一种能够在1.5μm和2.7-3μm实现高效激光输出的高效抗辐射Yb3+敏化Er3+的含钪石榴石激光晶体及其制备方法本发明的技术方案高效抗辐射Yb3+敏化Er3+的含钪石榴石激光晶体，其特征在于该晶体的分子式为Yb3+，Er3+:A3Sc2B3O12[A＝Gd，Y，Lu；B＝Ga，Al]，Yb3+作为敏化离子将吸收的能量传递给激活离子Er3+，通过Er3+离子浓度的低掺与高掺，它的激光波段分别在1.5μm和2.8μm附近。
其中Yb3+的取代浓度为1-10at％，Er3+的取代浓度为0.5-3at％或为30-50at％。
该晶体除可用常规的泵浦方式泵浦外，还可使用波长为940-980nm的半导体激光作为泵浦源。
所述的高效抗辐射Yb3+敏化Er3+的含钪石榴石多晶原料的固相制备方法，其特征在于，按照下列化学反应式3xYb2O3+3yEr2O3+3(1-x-y)A2O3+2Sc2O3+3B2O3＝2Yb3xEr3yA(3-3x-3y)Sc2B3O12，其中A＝Gd，Y，Lu；B＝Ga，Al，x＝1-10％，y＝0.5-3at％或30-50at％，通过固相反应法制得Yb，Er:A3Sc2B3O12多晶原料。
所述的高效抗辐射Yb3+敏化Er3+的含钪石榴石多晶原料的制备方法，其特征在于也可以采用液相法制得Yb，Er:A3Sc2B3O12多晶原料，液相法指共沉淀法或溶胶-凝胶法。
所述的高效抗辐射Yb3+敏化Er3+的含钪石榴石激光晶体制备方法，其特征在于使用Yb，Er:A3Sc2B3O12多晶原料，采用熔体法制备Yb，Er:A3Sc2B3O12单晶。
Yb，Er:A3Sc2B3O12类含钪石榴石通常采用熔体法生长单晶，这种方法可以生长出尺寸较大的具有实用价值的单晶；也可以采用水热法等方法制备。
本发明提供一种高效抗辐射Yb3+敏化Er3+离子的A3Sc2B3O12(其中A可为稀土离子Gd3+、Y3+或Lu3+，B可为Ga3+或Al3+)类含钪石榴石激光晶体，晶体结构属于立方晶系，可以采用熔体提拉法生长出高光学均匀性的晶体。A3Sc2B3O12类含钪石榴石晶体是一种强的抗辐射材料，比YAG更适合在空间环境中使用。由于Yb3+能与InGaAs发射波长(0.9-1.1μm)有效耦合，有较强吸收，并且Yb3+(2F5/2)的发射带和Er3+(4I11/2)的吸收带有较大的重叠，使得Yb3+能对Er3+进行有效的敏化，将吸收的能量转移给Er3+离子，可达到提高泵浦光吸收效率和降低激光振荡阈值的目的。因此，Yb，Er:A3Sc2B3O12晶体有望成为一种LD泵浦适合空间使用的高效激光晶体。用Yb，Er:A3Sc2B3O12晶体的1.5μm和2.7-3μm波段激光在医疗、光通讯、科学研究及军事等领域有着重要的应用。除可满足一般应用的需要，也可满足空间环境应用的需要。
图1是采用半导体激光作为泵浦源实现Yb，Er:GSGG(Gd3Sc2Ga3O12)晶体激光输出的一种实验装置图。
具体实施例方式
实施例1生长低掺Er3+离子浓度的Yb，Er:GSGG(Gd3Sc2Ga3O12)晶体低掺Er3+离子浓度的Yb，Er:GSGG晶体是指Er3+离子的掺杂浓度在0.5-3at％之间，它可输出1.5μm的激光，以固相法或液相法制备的多晶原料，采用熔体提拉法即可生长出低掺Er3+的Yb，Er:GSGG单晶体。
实施例2生长高掺Er3+离子浓度的Yb，Er:GSGG(Gd3Sc2Ga3O12)晶体高掺Er3+离子浓度的Yb，Er:GSGG晶体是指Er3+离子的掺杂浓度在30-50at％之间，它可输出2.8μm的激光，以固相法或液相法制备的多晶原料，采用熔体提拉法即可生长出高掺Er3+的Yb，Er:GSGG单晶体。
实施例3实现Yb，Er:GSGG(Gd3Sc2Ga3O12)晶体1.5μm波段附近激光输出的一种实验装置采用940nm半导体激光器泵浦Yb，Er:GSGG(Yb3+的掺杂浓度为1-10at％，Er3+的掺杂浓度为0.5-3at％)的晶体元件。实验装置如附图1。图中1是Yb，Er:GSGG晶体元件；2是940nm半导体激光器；3是对1.5μm附近波长全反射对940nm全透射的介质镜；4是对1.5μm附近波长部分透射对940nm全反射的介质镜；5是LPE-1A激光能量计；6是聚焦透镜。
实施例4实现Yb，Er:GSGG(Gd3Sc2Ga3O12)晶体2.8μm波段附近激光输出的一种实验装置采用940nm半导体激光器泵浦Yb，Er:GSGG(Yb3+的掺杂浓度为1-10at％，Er3+的掺杂浓度为30-50at％)的晶体元件。实验装置如附图1。图中1是Yb，Er:GSGG晶体元件；2是940nm半导体激光器；3是对2.8μm附近波长全反射对940nm全透射的介质镜；4是对2.8μm附近波长部分透射对940nm全反射的介质镜；5是LPE-1A激光能量计；6是聚焦透镜。由于2.8μm附近波长处于水的强吸收带，因此在此激光实验装置中，还需要排除谐振腔内的水气或缩短谐振腔以减少水气对激光振荡的不良影响。
权利要求
1.高效抗辐射Yb3+敏化Er3+的含钪石榴石激光晶体，其特征在于该晶体的分子式为Yb3+，Er3+:A3Sc2B3O12[A＝Gd，Y，Lu；B＝Ga，Al]，Yb3+作为敏化离子将吸收的能量传递给激活离子Er3+，通过Er3+离子浓度的低掺与高掺，它的激光波段分别在1.5μm和2.8μm附近。
2.如权利要求书1所述的高效抗辐射Yb3+敏化Er3+的含钪石榴石激光晶体，其特征在于其中Yb3+的取代浓度为1-10at％，Er3+的取代浓度为0.5-3at％或为30-50at％。
3.如权利要求书1所述的高效抗辐射Yb3+敏化Er3+的含钪石榴石激光晶体，其特征在于该晶体除可用常规的泵浦方式泵浦外，还可使用波长为940-980nm的半导体激光作为泵浦源。
4.根据权利要求1所述的高效抗辐射Yb3+敏化Er3+的含钪石榴石多晶原料的固相制备方法，其特征在于，按照下列化学反应式3xYb2O3+3yEr2O3+3(1-x-y)A2O3+2Sc2O3+3B2O3＝2Yb3xEr3yA(3-3x-3y)Sc2B3O12，其中A＝Gd，Y，Lu；B＝Ga，Al，x＝1-10％，y＝0.5-3at％或30-50at％，通过固相反应法制得Yb，Er:A3Sc2B3O12多晶原料。
5.根据权利要求1所述的高效抗辐射Yb3+敏化Er3+的含钪石榴石多晶原料的制备方法，其特征在于或者采用液相法制得Yb，Er:A3Sc2B3O12多晶原料，液相法指共沉淀法或溶胶-凝胶法。
6.根据权利要求4所述的高效抗辐射Yb3+敏化Er3+的含钪石榴石激光晶体制备方法，其特征在于使用Yb，Er:A3Sc2B3O12多晶原料，采用熔体法制备Yb，Er:A3Sc2B3O12单晶。
全文摘要
本发明属于一种高效抗辐射Yb
文档编号C30B11/00GK101063228SQ20071002225
公开日2007年10月31日 申请日期2007年5月10日 优先权日2007年5月10日
发明者孙敦陆, 殷绍唐, 张庆礼 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所