Nd3+离子敏化的抗辐射激光晶体Nd,Er:GSGG及其制备方法

摘要

本发明属于一种Nd3+敏化的抗辐射激光晶体，其特征在于：该晶体的化学表达式为Nd3+，Er3+:Gd3Sc2Ga3O12(可简写成Nd，Er:GSGG，其中Er3+的掺杂浓度高于30at％)，Nd3+和Er3+都是取代晶体中十二面体中心位置的Gd3+，Nd3+作为敏化离子把吸收的能量转移给晶体中的Er3+离子，提高了Nd，Er:GSGG在2.7-2.8μm附近激光的泵浦效率。这个波段的激光在生物医疗、光参量振荡及光电对抗等领域有着重要的应用。由于本发明的Nd，Er:GSGG激光晶体具有抗高强度γ射线和其它射线辐射的能力，因此，除可满足地面应用的要求外，还可以满足辐射环境和空间环境应用的需要。

权利要求

1.Nd3+敏化的抗辐射激光晶体Nd，Er:GSGG，其特征在于：所述晶体的化学式为Nd3+，Er3+:Gd3Sc2Ga3O12，分子式Nd3xEr3yGd3(1-x-y)Sc2Ga5O12，其中0＜x，y＜1，简写成Nd，Er:GSGG，Nd3+作为敏化离子把吸收的能量转移给晶体中的Er3+离子，提高了晶体在2.7-2.8μm激光的泵浦效率。

2.根据权利要求书1所述的Nd3+敏化的抗辐射激光晶体Nd，Er:GSGG，其特征在于：所述晶体是以抗辐射晶体钆钪镓石榴石GSGG为基质的激光晶体。

3.根据权利要求书1所述的Nd3+敏化的抗辐射激光晶体Nd，Er:GSGG，其特征在于：其中Nd3+和Er3+都是取代晶体中十二面体中心位置的Gd3+，Nd3+的取代浓度为0.5-10at％，Er3+的取代浓度为30-50at％。

4.根据权利要求1所述的Nd3+敏化的抗辐射激光晶体Nd，Er:GSGG的制备方法，其特征在于：(1)、采用固相法或液相法制备所述晶体的多晶原料，

所述固相法是按照下列化学反应式：

3xNd2O3+3yEr2O3+3(1-x-y)Gd2O3+2Sc2O3+3Ga2O3＝2Nd3xEr3yGd(3-3x-3y)Sc2Ga3O12，其中x＝0.5-10at％，y＝30-50at％，通过固相反应法制得所述晶体的多晶原料；

所述液相法指共沉淀法或溶胶-凝胶法；

(2)、使用(1)制备的多晶原料，采用熔体法制备Nd，Er:GSGG的单晶。

说明书

技术领域

本发明属于功能晶体材料领域，具体的说是一种具有抗辐射性能的Nd3+敏化Er3+的钆钪镓石榴石激光晶体(Nd，Er:GSGG)及其制备方法。

技术背景

在辐射环境和空间环境中应用的激光器会受到γ射线和宇宙射线等高能粒子的辐射，从而要求激光器具有抗高能射线辐射的能力，因此高效抗辐射激光材料对于辐射环境和空间环境激光技术的发展具有重要的意义。

钆钪镓石榴石晶体Gd3Sc2Ga3O12(GSGG)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。Zharikov(E.V.Zharikov，et al.Effect of UV-andγ-irradiation on the lasing characteristics of neodymium lasers，Bull.Acad.Sei.USSR，Phys.Ser.，1984，48：103)等人的实验证明，Nd，Cr:GSGG激光器在受到紫外线或10Mrad的60Coγ射线辐照后，其激光性能几乎不受影响，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。我们的60Coγ射线辐照实验也证明了GSGG基质优良的抗辐射性能。文献(Y.N.Xu，et al.Electronic structure andbonding in garnet Gd3Sc2Ga3O12，Gd3Sc2Al3O12 and Gd3Ga5O12 compared to Y3Al5O12，Physical Review B，2000，61：1817)对GSGG晶体抗辐射机制的研究认为，位于八面氧配位体中心的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及键的有序性，使抵抗色心形成的能力增强，是GSGG晶体具有强抗辐射能力的原因。

Er3+离子的2.7-3μm波段激光在医疗、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+的高效吸收带与目前发展成熟的LD激光波长不匹配，因此泵浦效率较低。为了提高泵浦效率，采用Nd3+离子对Er3+离子进行敏化，把Nd3+离子吸收的能量转移给Er3+离子，由于Nd3+离子在中心波长为808nm波段有非常强的吸收，因此，用Nd3+对Er3+进行有效的敏化，可以大大提高泵浦效率，同时中心波长为808nm的LD激光器是发展成熟的半导体激光器，采用中心波长为808nm的LD激光器作为泵浦源，为Nd，Er:GSGG实现高效激光输出创造了条件。Nd3+离子敏化的Er:GSGG，也可以用中心波长为880nm的半导体激光器泵浦，实现2.7-2.8m的激光输出。此外，由于Nd3+的敏化，Er3+离子激光下能级4I13/2的寿命可以减小几十倍，同时由于Er3+离子的激光上能级4I11/2与敏化离子Nd3+之间不发生交叉弛豫，因此Er3+上能级4I11/2的寿命基本不改变，所以采用Nd3+离子对Er:GSGG进行敏化，不仅能提高泵浦效率，降低振荡阈值，而且对于抑制由于激光下能级寿命较长引起的饱和终止也是有利的。

Nd，Er:GSGG晶体可采用中心波长在808nm或880nm的半导体激光泵浦，能大大降低激光器的复杂程度，有利于设备小型化，这对于在辐射环境和空间环境中的应用是非常重要的。由于基质GSGG本身具有抗辐射功能，所以Nd，Er:GSGG晶体是一种高效抗辐射的激光材料，除可满地面应用的要求外，还可以满足辐射环境和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，尽管如此，据检索，目前国内外都还没有关于Nd，Er:GSGG激光晶体的报道。

发明内容

本发明的目的在于公开一种能够在2.7-2.8μm实现高效激光输出的抗辐射激光晶体Nd，Er:GSGG及其制备方法。
本发明的技术方案：
Nd3+离子敏化的抗辐射激光晶体Nd，Er:GSGG，其特征在于：所述晶体的化学式为Nd3+，Er3+:Gd3Sc2Ga3O12，分子式Nd3xEr3yGd3(1-x-y)Sc2Ga5O12，其中0＜x，y＜1(可简写成Nd，Er:GSGG)，Nd3+作为敏化离子把吸收的能量转移给晶体中的Er3+离子，提高了晶体在2.7-2.8μm激光的泵浦效率。
所述晶体是以抗辐射晶体GSGG为基质的激光晶体。
其中Nd3+和Er3+都是取代晶体中十二面体中心位置的Gd3+，Nd3+的取代浓度为0.5-10at％，Er3+的取代浓度为30-50at％。
所述的Nd3+敏化的抗辐射激光晶体Nd，Er:GSGG的制备方法，其特征在于：
(1)、采用固相法或液相法制备所述晶体的多晶原料，
所述固相法是按照下列化学反应式：
3xNd2O3+3yEr2O3+3(1-x-y)Gd2O3+2Sc2O3+3Ga2O3＝2Nd3xEr3yGd(3-3x-3y)Sc2Ga3O12，其中x＝0.5-10at％，y＝30-50at％，通过固相反应法制得所述晶体的多晶原料；
所述液相法指共沉淀法或溶胶-凝胶法；
(2)、使用(1)制备的多晶原料，采用熔体法制备Nd，Er:GSGG单晶。
所述晶体温除可用常规的闪光灯泵浦外，还可使用中心波长在808nm或880nm附近的半导体激光作为泵浦源。
通常采用熔体法生长Nd，Er:GSGG石榴石单晶，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。
本发明提供一种抗辐射Nd3+敏化的钆钪镓石榴石激光晶体(Nd，Er:GSGG)，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。GSGG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Nd3+离子在808nm有非常强的吸收，而808nm高功率半导体激光器已发展的较为成熟，因此，用Nd3+对Er3+进行有效的敏化，把吸收的能量转移给Er3+离子，可达到提高对泵浦光吸收效率、降低激光振荡阈值及抑制饱和终止的目的。因此，Nd，Er:GSGG晶体有望成为一种半导体激光泵浦适合空间使用的高效激光晶体。用Nd，Er:GSGG晶体产生的2.7-2.8μm波段激光在医疗、科学研究及军事等领域有着重要的应用。除可满地面应用的要求外，还可以满足辐射环境和空间环境应用的需要。

附图说明

图1是采用半导体激光器作为泵浦源实现Nd，Er:GSGG晶体激光输出的一种实验装置图。

具体实施方式

实施例1：生长高掺Er3+离子浓度的Nd，Er:GSGG晶体
高掺Er3+离子浓度的Nd，Er:GSGG晶体是指Er3+离子的掺杂浓度在30-50at％之间，Nd3+的浓度在0.5-10at％之间。例如Er3+浓度为35at％，Nd3+的浓度为1at％。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Nd，Er:GSGG单晶体。
固相法是按照下列化学反应式：
3xNd2O3+3yEr2O3+3(1-x-y)Gd2O3+2Sc2O3+3Ga2O3＝2Nd3xEr3yGd(3-3x-3y)Sc2Ga3O12，其中x＝0.5-10at％，y＝30-50at％，通过固相反应法制得所述晶体的多晶原料；
实施例2：实现Nd，Er:GSGG晶体2.7-2.8μm波段激光输出的一种实验装置
采用808nm半导体激光器泵浦Nd，Er:GSGG(Nd3+的掺杂浓度为1at％，Er3+的掺杂浓度为35at％)的晶体元件。实验装置如附图1。图中1是808nm半导体激光器；2是聚焦透镜；3是对2.7-2.8μm波段全反射，对808nm全透射的介质镜；4是Nd，Er:GSGG晶体元件；5是对2.7-2.8μm波段部分透射，对808nm全反射的介质镜；6激光能量计。由于2.7-2.8μm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。