一种掺镱晶体及其生长方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种掺镱晶体及其生长方法和应用，属于晶体生长和激光技术领域。
【背景技术】
[0002]近年来，可见光激光器因其在在环境、医疗、军事等领域的重要应用受到越来越多人们的关注。
[0003]目前，要获得可见激光，主要是利用掺Nd3+和Yb3+等离子的激光晶体产生0.9μπι、1.06μπι、1.3μπι波段的激光，再通过KTP等非线性光学晶体进行倍频产生。将激光晶体和KTP晶体通过光胶结合到一起，并在晶体的表面和胶合面镀膜形成激光振荡获得高效率绿光输出，已经实现了商品化。但是，这种同时使用激光工作介质和倍频介质两种晶体材料的激光器在结构上较为复杂，制作工艺步骤多，成本难以简化。
[0004]如果能将激光发射与非线性倍频这两种光功能合二为一，则可使生产成本大大降低，同时有利于激光器结构的简化和体积的减小，这种材料人们称为自倍频晶体。多年来，人们一直在探索自倍频晶体，掺镱离子的自倍频晶体因其没有另外的4f电子态，因此不存在上转换和其他高激发态的吸收，且能够实现从950-1100nm较宽的发射谱线，是获得更多波长可见激光的一个重要途径。历史上先后有Yb: MgO: LiNbO3、Yb: YCOB、Yb: GdCOB、Yb: YAB等实现了自倍频绿光输出。这些晶体都存在不同的显著缺陷，其中Yb:MgO: LiNbO3的抗光伤阈值较低且具有光折变效应，Yb: YCOB和Yb: GdCOB的激光受激发射截面较小，虽然实现了自倍频绿光输出但目前没有输出功率的报道，而Yb:YAB晶体为非同成分熔融化合物，只能采用高温熔体法生长单晶，生长周期长，难以获得大尺寸高质量晶体，难以满足批量化生产需求。因此，目前能够实际应用的自倍频晶体仍十分有限，探索新的优秀材料一直是晶体材料研究者的不懈追求。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明提供了一种掺镱晶体；
[0006]本发明还提供了上述掺镱晶体的生长方法及应用。
[0007]本发明的技术方案为:
[0008]—种惨镱晶体，所述惨镱晶体的分子式为Ca3—3xYb3xRGa3Si20i4，R为Nb^子或Ta^子，Yb离子的掺杂浓度为0.l-50at.%。
[0009 ]硅酸镓铌钙晶体属于A3BC3D2O14构型，该结构中有A、B、C、D四个阳离子格位，掺入的Yb离子取代钙离子占据A位置，X为掺入Yb离子的原子百分比，晶体中A位置出现一定数量的空位使Yb离子取代Ca离子产生的电荷差保持平衡。
[0010]上述掺镱晶体同时具有激光发射和非线性光学效应，是一类性能优良的自倍频激光晶体。与激光晶体、非线性光学晶体两者组合而成的激光器相比，由上述掺镱晶体制成的自倍频绿光激光器体积更小，结构更加紧凑，生产成本大大降低，同时也简化了加工和装配环节，提高了生产效率。[0011 ]根据本发明优选的，镱离子的掺杂浓度为0.5-15at.%。
[0012]根据本发明优选的，所述Ca3-3xYb3xNbGa3Si2014晶体的I类相位匹配的切割角为(Θ，Φ )，Θ的取值范围为31.0° —41.0°，Φ的取值范围为25.0° —35.0°，所述Ca3-3xYb3xNbGa3Si2014晶体的II类相位匹配的切割角为(Θ1，φ 1)，Θ1的取值范围为50.0° —60.0°，Φ I的取值范围为(_5)°-5° J/^^Ca3-3xYb3xTaGa3Si2014晶体的I类相位匹配的切割角为(Θ2，Φ 2)，Θ2的取值范围为30.5° — 40.5°，Φ 2的取值范围为25.0° — 35.0°，所述Ca3 一3xYb3xTaGa3Si2014晶体的II类相位匹配的切割角为(Θ3，Φ3)，Θ3的取值范围为56.0° —66.0°，Φ 3的取值范围为(-5)。-5° ο
[0013]上述掺镱晶体的生长过程，具体步骤包括:
[0014](I)采用CaCO3、R2O5、Ga203、S12 和 Yb2O3 作为原料，CaCO3、R2O5、Ga203、S12 和 Yb2O3 的纯度均大于或等于99.99 %，按照分子式Ca3^xYb3xRGa3Si2O14的化学计量比进行配料，R为Nb离子或Ta离子；
[0015](2)在步骤(I)得到的原料中加入Ga2O3,每10g原料加入0.1-1.0gGa2O3;进一步优选的，每10g原料加入0.35g Ga2O3;可以弥补生长过程中Ga2O3挥发导致组分偏析的问题。
[0016](3)将步骤(2)得到的加入Ga2O3后的原料进行研磨;防止混料时粘结成块状。
[0017](4)混料12-36小时；以保证原料的均匀性。
[0018](5)将步骤(4)得到的原料压结成块；
[0019](6)在1100-1250°C的温度下烧结5-30小时，充分反应后合成多晶料;进一步优选的，在1150 °C的温度下烧结20个小时。
[0020](7)将步骤(6)得到的多晶料放在单晶炉内进行生长，生长至所需要的尺寸后，将晶体提离液面，采用分阶段降温方法降至室温后将晶体取出。
[0021]根据本发明优选的，所述步骤(3)中，放入玛瑙研钵中进行研磨；
[0022]所述步骤(4)中，在混料罐中混料30小时，混料罐中原料不超过混料罐体积的三分之一；
[0023]所述步骤(5)中，在圆柱形钢模具中压结成块，所述圆柱形钢模具内侧衬有塑料薄膜;保证原料不受污染；
[0024]所述步骤(6)中，在1150°C温度下，将块放在刚玉坩祸内，放入马弗炉烧结20小时。让原料充分反应合成多晶料。
[0025]根据本发明优选的，所述步骤(7)中，所述单晶炉的型号为TDR(L)_J50A，所述单晶炉使用的中频加热电源的型号为35-3-2.5，额定输出频率2500Hz ;所述单晶炉使用的铱金坩祸尺寸为Φ 70 X 50 X 2mm，籽晶为a向，生长气氛为N2+0.5-3vol%O2，所述单晶炉保持正压;生长过程中拉速为0.2-1.0mm/h，转速5_25r/min。进一步优选的，生长过程中，所述单晶炉内气压为0.5-2.0kPa。
[0026]—种可调谐的掺镱自倍频绿光激光器，包括从左至右依次沿光路安放的半导体激光栗浦源、谐振腔入射镜、自倍频激光晶体及谐振腔输出镜，所述自倍频激光晶体为所述掺镱晶体，所述自倍频激光晶体在通光方向的长度为0.l_30mm，所述自倍频激光晶体的切割方向为所发射530nm激光的倍频相位匹配方向。
[0027]此处设计的优势在于，不使用聚焦系统，而用半导体激光栗浦源的光纤输出头直接栗浦自倍频激光晶体，这样制成的激光器虽然输出功率和转换效率有一定损失，但体积更小，结构更紧凑，成本更低。
[0028]半导体激光栗浦源发射栗浦激光，栗浦激光通过谐振腔入射镜，进入自倍频激光晶体，即掺镱晶体，自倍频激光晶体产生1060nm附近的近红外激光，再经自倍频激光晶体的非线性倍频产生530nm附近的绿光，由谐振腔输出镜一端输出腔外。
[0029]根据本发明优选的，所述自倍频激光晶体在通光方向的长度为0.2_20mm，所述自倍频激光晶体均为长方体或柱状。
[0030]根据本发明优选的，所述自倍频激光晶体的两个通光端面抛光后镀有971-981nm、1040-1080nm、520-540nm 增透膜。
[0031]此处设计的优势在于，有利于倍频激光在谐振腔输出端的输出，减少栗浦光的损耗。
[0032]根据本发明优选的，所述谐振腔输入镜与所述输出镜均镀到所述自倍频激光晶体上，所述自倍频激光晶体的左侧通光端面上镀有971-981nm增透膜及对1040-1080nm和520-540nm光高反膜，所述自倍频激光晶体的右侧通光端面上镀有对971-981nm光和1040-1080nm光高反、520_540nm增透膜。
[0033]根据本发明优选的，所述自倍频绿光激光器还包括聚焦系统，所述聚焦系统设置在所述半导体激光栗浦源及所述谐振腔入射镜之间，所述自倍频激光晶体安放在所述聚焦系统的焦点处。用来提高半导体激光栗浦源发射的栗浦激光与谐振腔激光的模式匹配度。
[0034]根据本发明优选的，所述谐振腔入射镜镀有对971-981nm光高透、对1040-1080nm和520-540nm光高反的介质膜;谐振腔输出镜镀有对971-981nm光和1040-1080nm光高反、对520-540nm光高透的介质膜。
[0035]根据本发明优选的，所述自倍频激光晶体与所述谐振腔输出镜之间设置有石英双折射调谐片。通过石英双折射调谐片可以实现更长波段范围的自倍频绿光输出。
[0036]根据本发明优选的，所述半导体激光栗浦源为中心波长为971-981nm的直接输出半导体激光器或光纤耦合输出