镝铽共掺含钪石榴石激光晶体及其制备方法和LD泵浦该晶体实现黄光激光输出的应用转让专利
申请号 : CN202011612323.8
文献号 : CN112831837B
文献日 : 2022-04-29
发明人 : 丁守军 , 刘文鹏 , 黄仙山 , 任浩 , 李泓沅
申请人 : 安徽工业大学
摘要 :
本发明公开了镝铽共掺含钪石榴石激光晶体及其制备方法和LD泵浦该晶体实现黄光激光输出的应用，该晶体化学表达式为DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12；采用固相法或液相法制备DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12多晶原料，之后用熔体法生长DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12单晶；以GaN LD作为泵浦光源，泵浦DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12晶体实现黄光激光输出。本发明以镝、铽为激活离子，通过Dy3+与Tb3+之间的能量共振转移，实现Dy3+激光下能级6H13/2上的粒子通过转移到Tb3+离子7F4能级上，从而使Dy3+更易实现粒子数反转，降低黄光激光阈值；以含钪石榴石激光晶体作为基质晶体，使Dy3+易于实现粒子数反，且晶体具有高的热导率，可以忍受由于Dy3+较低的吸收和发射截面所必须采用高泵浦功率带来的废热问题。
权利要求 :
1.一种镝铽共掺含钪石榴石激光晶体，其特征在于，化学表达式为Dy xTb yA 3‑x‑ySc 2B
3O 12，其中A为Y，B为Al，其中x的取值范围为0.001≤x≤0.5，y的取值范围为0.001≤y≤
0.5。
2.根据权利要求1所述的镝铽共掺含钪石榴石激光晶体，其特征在于：Dy xTb yA 3‑x‑ySc
3+ 3+
2B 3O 12晶体以具有立方对称结构的A 3Sc 2B 3O 12单晶作为基质晶体，以Dy 和Tb 离子作
3+ 3+
为激活离子，所述A 3Sc 2B 3O 12单晶中的A为Y，所述Dy 离子和所述Tb 离子共同占据所述A 3Sc 2B 3O 12晶体中的A的格位，与周围八个氧原子配位形成十二面体。
3.根据权利要求2所述的镝铽共掺含钪石榴石激光晶体，其特征在于：所述A 3Sc 2B 3O ‑1
12单晶的声子能量范围在700‑800 cm 之间。
4.根据权利要求1所述的镝铽共掺含钪石榴石激光晶体，其特征在于：Dy xTb yA 3‑x‑ySc
2B 3O 12中x的取值范围为0.03≤x≤0.06，y的取值范围为y=0.03。
5.如权利要求1所述的镝铽共掺含钪石榴石激光晶体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）采用固相法或液相法制备Dy xTb yA 3‑x‑ySc 2B 3O 12多晶原料；
2）熔体法生长单晶：将制备的所述Dy xTb yA 3‑x‑ySc 2B 3O 12多晶原料，放入铱金材质的生长坩埚内，通过电阻或感应加热使原料充分熔化，获得晶体生长初始熔体，之后以无掺杂的A 3Sc 2B 3O 12单晶作为籽晶，采用熔体法晶体生长工艺进行单晶生长获得Dy xTb yA
3‑x‑ySc 2B 3O 12晶体。
6.根据权利要求5所述的镝铽共掺含钪石榴石激光晶体的制备方法，其特征在于，所述固相法包括以下步骤：
将高纯氧化物原料Dy 2O 3、Tb 4O 7、A 2O 3、Sc 2O 3、B 2O 3，A为Y，B为Al，作为初始原料按照化学反应反应式（Eq‑1）进行称量：（Eq‑
1），其中x的取值范围为0.1‑50 at%，y取值范围为0.1‑50 at%，at%表示原子百分比，将称量的化合物充分混合，在100～300 MPa冷等静压后，在1500℃～1700℃温度下烧结48～72小时得到Dy xTb yA 3‑x‑ySc 2B 3O 12多晶原料。
7.根据权利要求5所述的镝铽共掺含钪石榴石激光晶体的制备方法，其特征在于，所述液相法包括以下步骤：共沉淀法或熔融‑凝胶法。
8.根据权利要求5所述的镝铽共掺含钪石榴石激光晶体的制备方法，其特征在于：所述熔体法晶体生长工艺包括提拉法、坩埚下降法、温梯法、微下降法。
9.LD泵浦如权利要求1所述的镝铽共掺含钪石榴石激光晶体实现黄光激光输出的应用，其特征在于，包括以下过程：
以GaN LD作为泵浦光源，GaN LD的激光波长为360‑460 nm，采用端面泵浦Dy xTb yA
3+
3‑x‑ySc 2B 3O 12晶体，Dy 离子吸收泵浦光能量，通过6H 15/2→4I 15/2能级跃迁，将基态的粒子抽运到4I 15/2激发态能级上，再通过无辐射弛豫从4I 15/2能级弛豫到4F 9/2能级上，然后
3+ 3+
通过4F 9/2→6H 13/2能级跃迁，Dy 离子6H 13/2能级上的粒子通过能量共振转移到Tb 离子
3+
7F 4能级上，使Dy 实现粒子数反转，实现黄光波段激光输出，最后激光下能级6H 13/2上的粒子再通过无辐射弛豫回到6H 15/2能级上。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：Dy xTb yA 3‑x‑ySc 2B 3O 12晶体在360‑
460nm波段吸收并发射575‑585nm波段黄光。
说明书 :
镝铽共掺含钪石榴石激光晶体及其制备方法和LD泵浦该晶体
实现黄光激光输出的应用
技术领域
[0001] 本发明涉及激光晶体技术领域，具体涉及镝铽共掺含钪石榴石激光晶体及其制备方法和LD泵浦该晶体实现黄光激光输出的应用。
背景技术
[0002] 波长位于550‑600nm的黄光激光属于人眼最敏感的波段，因此在激光显示和激光照明领域有重要的应用，特别是在大雾环境下的空间测量和指示有特殊的用途。除此之外，
黄光激光还在诸多领域有着广泛而重要的应用，如皮肤及眼科疾病治疗、空间目标的探测
与识别、光电对抗、高密度信息存储、海洋探测等工业、国防和科研领域。目前，实现黄光激
光的方式主要有三种：染料激光器、双波长和频及受激拉曼散射(SRS)。染料激光器能够直
接发射黄光，是研究较早且应用较广的黄光激光器，但是，由于染料激光器存在输出功率
低、能量消耗高、安全性较差、激光性能不稳定且激光循环冷却系统复杂等问题，严重制约
3+
了其发展。双波长和频黄光激光主要是利用掺杂Nd 激光增益介质的1.06μm和1.3μm增益，
通过和频技术实现黄光激光。受激拉曼散射主要是利用拉曼介质的频移效应将532nm的绿
3+
光激光直接频移到黄光波段或者将Nd 的1.06μm基频光频移到1.1‑1.2μm波段，再通过倍频
技术实现黄光激光。但是，无论是通过双波长和频还是受激拉曼散射获得的黄光激光器均
存在激光效率低、光束质量较差、系统结构复杂、性价比低等问题。与以上三种方式相比，采
用激光二极管(LD)泵浦激光晶体直接实现黄光激光输出具有系统结构紧凑、稳定性高、寿
命高、激光效率高等优点，更易于实现激光器的小型化、集成化和智能化，因而成为当前黄
光激光技术的重要发展方向。
黄光激光还在诸多领域有着广泛而重要的应用，如皮肤及眼科疾病治疗、空间目标的探测
与识别、光电对抗、高密度信息存储、海洋探测等工业、国防和科研领域。目前，实现黄光激
光的方式主要有三种：染料激光器、双波长和频及受激拉曼散射(SRS)。染料激光器能够直
接发射黄光，是研究较早且应用较广的黄光激光器，但是，由于染料激光器存在输出功率
低、能量消耗高、安全性较差、激光性能不稳定且激光循环冷却系统复杂等问题，严重制约
3+
了其发展。双波长和频黄光激光主要是利用掺杂Nd 激光增益介质的1.06μm和1.3μm增益，
通过和频技术实现黄光激光。受激拉曼散射主要是利用拉曼介质的频移效应将532nm的绿
3+
光激光直接频移到黄光波段或者将Nd 的1.06μm基频光频移到1.1‑1.2μm波段，再通过倍频
技术实现黄光激光。但是，无论是通过双波长和频还是受激拉曼散射获得的黄光激光器均
存在激光效率低、光束质量较差、系统结构复杂、性价比低等问题。与以上三种方式相比，采
用激光二极管(LD)泵浦激光晶体直接实现黄光激光输出具有系统结构紧凑、稳定性高、寿
命高、激光效率高等优点，更易于实现激光器的小型化、集成化和智能化，因而成为当前黄
光激光技术的重要发展方向。
[0003] 稀土离子Dy3+具有丰富的4f能级结构，是能够实现黄光激光运转的理想激活离子，6 6
其低能级态是由 HJ(J＝15/2→5/2)和 FJ(J＝11/2→1/2)所组成的密集能态，延伸至约
‑1 ‑1 3+
13500cm ,高能级态(21000cm 以上)是由4F、4I、4G、4M等能级所组成。Dy 掺杂的激光介质
6 4
可以吸收450nm左右的蓝光实现H15/2→G11/2的泵浦跃迁，然后通过多声子弛豫将吸收的能
4 4
量传递到亚稳态F9/2能级上实现粒子数反转(F9/2能级与低能级态的高能级之间能级间隙
‑1 4 6
约为75000cm ，可以有效的避免其与下能级之间的非辐射跃迁)，再通过F9/2→H13/2辐射跃
迁最终实现黄光激光输出。但是，一直以来，由于受到450nm附近蓝光泵浦源的发展制约，LD
3+
泵浦Dy 掺杂的激光介质的黄光激光发展比较缓慢。近几年，得益于全球LED照明行业对GaN
蓝光二极管的巨大推动，GaN蓝光LD有了快速的发展，商品化的瓦级GaN蓝光LD技术已经较
3+
为成熟，且价格也有了大幅的下降，这为LD泵浦Dy 掺杂激光介质实现黄光激光运转提供了
3+
理想的泵浦源保障，可以预见，这将会引发对Dy 掺杂激光晶体的研究热潮，推动LD泵浦全
固态黄光激光的研究与应用进入一个全新的阶段。
其低能级态是由 HJ(J＝15/2→5/2)和 FJ(J＝11/2→1/2)所组成的密集能态，延伸至约
‑1 ‑1 3+
13500cm ,高能级态(21000cm 以上)是由4F、4I、4G、4M等能级所组成。Dy 掺杂的激光介质
6 4
可以吸收450nm左右的蓝光实现H15/2→G11/2的泵浦跃迁，然后通过多声子弛豫将吸收的能
4 4
量传递到亚稳态F9/2能级上实现粒子数反转(F9/2能级与低能级态的高能级之间能级间隙
‑1 4 6
约为75000cm ，可以有效的避免其与下能级之间的非辐射跃迁)，再通过F9/2→H13/2辐射跃
迁最终实现黄光激光输出。但是，一直以来，由于受到450nm附近蓝光泵浦源的发展制约，LD
3+
泵浦Dy 掺杂的激光介质的黄光激光发展比较缓慢。近几年，得益于全球LED照明行业对GaN
蓝光二极管的巨大推动，GaN蓝光LD有了快速的发展，商品化的瓦级GaN蓝光LD技术已经较
3+
为成熟，且价格也有了大幅的下降，这为LD泵浦Dy 掺杂激光介质实现黄光激光运转提供了
3+
理想的泵浦源保障，可以预见，这将会引发对Dy 掺杂激光晶体的研究热潮，推动LD泵浦全
固态黄光激光的研究与应用进入一个全新的阶段。
[0004] 目前已报道的采用GaN蓝光LD泵浦单掺Dy3+激光晶体获得黄光激光输出的晶体较3+
少，主要为Dy:YAG，这是因为Dy 具有较低的受激发射截面且激光下能级的粒子无法迅速地
3+
弛豫至基态导致激光阈值高。此外，绝大多数Dy 掺杂黄光激光晶体热导率较低而难以承受
3+
由于Dy 较低的吸收和发射截面所必须采用高泵浦功率带来的废热问题。
少，主要为Dy:YAG，这是因为Dy 具有较低的受激发射截面且激光下能级的粒子无法迅速地
3+
弛豫至基态导致激光阈值高。此外，绝大多数Dy 掺杂黄光激光晶体热导率较低而难以承受
3+
由于Dy 较低的吸收和发射截面所必须采用高泵浦功率带来的废热问题。
发明内容
[0005] 针对现有技术的不足，本发明提供了镝铽共掺含钪石榴石激光晶体及其制备方法3+ 3+
和LD泵浦该晶体实现黄光激光输出的应用，该应用通过Dy 与Tb 之间能量共振转移以及
利用含钪石榴石激光晶体较高的声子能量，克服了单掺镝黄光激光晶体激光下能级的粒子
3+
无法迅速地弛豫至基态所导致的激光阈值高的问题，且克服了当前绝大多数Dy 掺杂黄光
激光晶体热导率较低而难以承受较高泵浦功率的问题，采用GaN LD作为泵浦源，实现高效、
低阈值黄光激光输出。
和LD泵浦该晶体实现黄光激光输出的应用，该应用通过Dy 与Tb 之间能量共振转移以及
利用含钪石榴石激光晶体较高的声子能量，克服了单掺镝黄光激光晶体激光下能级的粒子
3+
无法迅速地弛豫至基态所导致的激光阈值高的问题，且克服了当前绝大多数Dy 掺杂黄光
激光晶体热导率较低而难以承受较高泵浦功率的问题，采用GaN LD作为泵浦源，实现高效、
低阈值黄光激光输出。
[0006] 为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：
[0007] 本发明提供一种镝铽共掺含钪石榴石激光晶体，该晶体化学表达式为DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12，其中A为Gd、Y、Lu中的一种，B为Al或Ga，其中x的取值范围为0.001≤x≤0.5，y的取
值范围为0.001≤y≤0.5。
值范围为0.001≤y≤0.5。
[0008] 进一步地，上述镝铽共掺含钪石榴石激光晶体中，DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12晶体以具有3+ 3+
立方对称结构的A3Sc2B3O12单晶作为基质晶体，以Dy 和Tb 离子作为激活离子，所述
3+ 3+
A3Sc2B3O12单晶中的A为Gd、Y或Lu中的一种，所述Dy 离子和所述Tb 离子共同占据所述
A3Sc2B3O12晶体中的A的格位，与周围八个氧原子配位形成十二面体。
立方对称结构的A3Sc2B3O12单晶作为基质晶体，以Dy 和Tb 离子作为激活离子，所述
3+ 3+
A3Sc2B3O12单晶中的A为Gd、Y或Lu中的一种，所述Dy 离子和所述Tb 离子共同占据所述
A3Sc2B3O12晶体中的A的格位，与周围八个氧原子配位形成十二面体。
[0009] 进一步地，上述镝铽共掺含钪石榴石激光晶体中，所述A3Sc2B3O12单晶的声子能量‑1
范围在700‑800cm 之间，有助于粒子从激光下能级6H13/2上通过无辐射弛豫回到6H15/2能
级，利于实现黄光激光输出。
范围在700‑800cm 之间，有助于粒子从激光下能级6H13/2上通过无辐射弛豫回到6H15/2能
级，利于实现黄光激光输出。
[0010] 进一步地，上述镝铽共掺含钪石榴石激光晶体中，DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12中x的取值范围为0.03≤x≤0.06，y的取值范围为y＝0.03。
[0011] 本发明提供一种镝铽共掺含钪石榴石激光晶体的制备方法，包括如下步骤：
[0012] 1)采用固相法或液相法制备DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12多晶原料；
[0013] 2)熔体法生长单晶：将制备的所述DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12多晶原料，放入铱金材质的生长坩埚内，通过电阻或感应加热使原料充分熔化，获得晶体生长初始熔体，之后以无掺杂
的A3Sc2B3O12单晶作为籽晶，采用熔体法晶体生长工艺进行单晶生长获得DyxTbyA3‑x‑
ySc2B3O12晶体。
的A3Sc2B3O12单晶作为籽晶，采用熔体法晶体生长工艺进行单晶生长获得DyxTbyA3‑x‑
ySc2B3O12晶体。
[0014] 进一步地，上述镝铽共掺含钪石榴石激光晶体的制备方法中，所述固相法包括以下步骤：
[0015] 将高纯氧化物原料Dy2O3、Tb4O7、A2O3、Sc2O3、B2O3，A为Gd、Y或Lu中的一种，B为Al或Ga中的一种，作为初始原料按照化学反应反应式(Eq‑1)进行称量：
[0016] x/2Dy2O3+y/4Tb4O7+(3‑x‑y)/2A2O3+Sc2O3+3/2B2O3
[0017] ＝DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12+y/8O2
[0018] (Eq‑1)，其中x的取值范围为0.1‑50at％，y取值范围为0.1‑50at％，at％表示原子百分比，
[0019] 将称量的化合物充分混合，在100～300MPa冷等静压后，在1500℃～1700℃温度下烧结48～72小时得到DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12多晶原料。
[0020] 进一步地，上述镝铽共掺含钪石榴石激光晶体的制备方法中，所述液相法为共沉淀法或熔融‑凝胶法。
[0021] 进一步地，上述镝铽共掺含钪石榴石激光晶体的制备方法中，所述熔体法晶体生长工艺包括提拉法、坩埚下降法、温梯法、微下降法。
[0022] 进一步地，上述镝铽共掺含钪石榴石激光晶体的制备方法中，Dy2O3、Tb4O7、A2O3、Sc2O3、B2O3的纯度均不低于99.99％。
[0023] 进一步地，上述镝铽共掺含钪石榴石激光晶体的制备方法中，烧结所用设备为高温马弗炉，且马弗炉的正常工作温度高于1700℃。
[0024] 进一步地，上述镝铽共掺含钪石榴石激光晶体的制备方法中，熔体法晶体生长工艺中所使用的籽晶为[111]结晶方向的无掺杂的A3Sc2B3O12单晶。
[0025] 进一步地，上述镝铽共掺含钪石榴石激光晶体的制备方法中，熔体法晶体生长工艺中所使用的坩埚材质为铱金属材质，铱金纯度高于99.5％。
[0026] 进一步地，上述镝铽共掺含钪石榴石激光晶体的制备方法中，熔体法晶体生长工艺中晶体生长的氛围为氮气氛围或者氩气氛围。
[0027] 本发明提供一种LD泵浦镝铽共掺含钪石榴石激光晶体实现黄光激光输出的应用，包括以下过程：
[0028] 以GaN LD作为泵浦光源，GaN LD的激光波长为360‑460nm，采用端面泵浦3+ 6 4
DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12晶体，Dy 离子吸收泵浦光能量，通过H15/2→I15/2能级跃迁，将基态的粒
4 4 4
子抽运到I15/2激发态能级上，再通过无辐射弛豫从I15/2能级弛豫到F9/2能级上，然后通过
4 6 3+ 6 3+ 7
F9/2→H13/2能级跃迁，Dy 离子H13/2能级上的粒子通过能量共振转移到Tb 离子F4能级上，
3+
使Dy 实现粒子数反转，实现黄光波段激光输出，提高黄光激光输出阈值和激光输出的稳定
6 6
性，最后激光下能级H13/2上的粒子再通过无辐射弛豫回到H15/2能级上。
DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12晶体，Dy 离子吸收泵浦光能量，通过H15/2→I15/2能级跃迁，将基态的粒
4 4 4
子抽运到I15/2激发态能级上，再通过无辐射弛豫从I15/2能级弛豫到F9/2能级上，然后通过
4 6 3+ 6 3+ 7
F9/2→H13/2能级跃迁，Dy 离子H13/2能级上的粒子通过能量共振转移到Tb 离子F4能级上，
3+
使Dy 实现粒子数反转，实现黄光波段激光输出，提高黄光激光输出阈值和激光输出的稳定
6 6
性，最后激光下能级H13/2上的粒子再通过无辐射弛豫回到H15/2能级上。
[0029] 进一步地，上述LD泵浦镝铽共掺含钪石榴石激光晶体实现黄光激光输出的应用中，DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12晶体在360‑460nm波段吸收并发射575‑585nm波段黄光，据此采用GaN
激光二极管(LD)作为泵浦源直接泵浦DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12晶体实现黄光激光输出。
激光二极管(LD)作为泵浦源直接泵浦DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12晶体实现黄光激光输出。
[0030] 进一步地，上述LD泵浦镝铽共掺含钪石榴石激光晶体实现黄光激光输出的应用中，黄光激光运转属于典型的四能级跃迁，更容易实现粒子数反转，从而出光阈值较低，更
易出光。
易出光。
[0031] 本发明的有益效果是：
[0032] 本发明提供了镝铽共掺含钪石榴石激光晶体及其制备方法和LD泵浦该晶体实现3+ 3+ 3+
黄光激光输出的应用，以镝、铽为激活离子，通过Dy 与Tb 之间的能量共振转移，实现Dy
6 3+ 7 3+
激光下能级H13/2上的粒子通过转移到Tb 离子F4能级上，从而使Dy 更易实现粒子数反转，
降低黄光激光阈值；以含钪石榴石激光晶体作为基质晶体，晶体结构属于立方对称晶系，具
有各项同性，熔体组份一致共融，可以采用熔体法晶体生长工艺生长出大尺寸、高光学均匀
3+ 6
性的晶体，具有高声子能量，有助于Dy 激光下能级H13/2上的粒子通过无辐射弛豫到基态
6 3+ 3+
能级H15/2上，使Dy 易于实现粒子数反转，且晶体具有高的热导率，可以忍受由于Dy 较低
的吸收和发射截面所必须采用高泵浦功率带来的废热问题；因而镝铽共掺含钪石榴石激光
晶体非常适合采用GaN LD泵浦实现黄光激光输出。
黄光激光输出的应用，以镝、铽为激活离子，通过Dy 与Tb 之间的能量共振转移，实现Dy
6 3+ 7 3+
激光下能级H13/2上的粒子通过转移到Tb 离子F4能级上，从而使Dy 更易实现粒子数反转，
降低黄光激光阈值；以含钪石榴石激光晶体作为基质晶体，晶体结构属于立方对称晶系，具
有各项同性，熔体组份一致共融，可以采用熔体法晶体生长工艺生长出大尺寸、高光学均匀
3+ 6
性的晶体，具有高声子能量，有助于Dy 激光下能级H13/2上的粒子通过无辐射弛豫到基态
6 3+ 3+
能级H15/2上，使Dy 易于实现粒子数反转，且晶体具有高的热导率，可以忍受由于Dy 较低
的吸收和发射截面所必须采用高泵浦功率带来的废热问题；因而镝铽共掺含钪石榴石激光
晶体非常适合采用GaN LD泵浦实现黄光激光输出。
[0033] 当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。
附图说明
[0034] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0035] 图1为实施例一中的Dy0.06Tb0.03Y2.91Sc2Al3O12晶体粉末XRD图谱；
[0036] 图2为实施例一中的Dy0.06Tb0.03Y2.91Sc2Al3O12晶体拉曼光谱图；
[0037] 图3为实施例一中的Dy0.06Tb0.03Y2.91Sc2Al3O12晶体吸收光谱图；
[0038] 图4为实施例一中的Dy0.06Tb0.03Y2.91Sc2Al3O12晶体450nm激发的发射光谱图；
[0039] 图5为实施例二中的GaN LD泵浦Dy0.06Tb0.03Y2.91Sc2Al3O12晶体实现黄光激光输出实验装置图；
[0040] 图6为实施例一中采用提拉法生长的Dy0.06Tb0.03Y2.91Sc2Al3O12晶体；
[0041] 图5中的附图标记如下：
[0042] 1‑输出波长为450nm的GaN半导体激光器，2‑聚焦镜，3‑输入镜M1，4‑晶体元件，5‑输出镜M2。
具体实施方式
[0043] 下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通
技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范
围。
技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范
围。
[0044] 实施例1：Dy3+,Tb3+共掺含钪石榴石激光晶体Dy,Tb:YSAG制备
[0045] 生长Dy3+掺杂浓度为2at％，Tb3+掺杂浓度为1at％的Dy0.06Tb0.03Y2.91Sc2Al3O12晶体。3+ 3+
本实施例中Dy 的浓度为2at％，Tb 掺杂浓度为1at％，即分子式DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12中x＝
0.06，y＝0.03，组份中A为Y，B为Al。
本实施例中Dy 的浓度为2at％，Tb 掺杂浓度为1at％，即分子式DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12中x＝
0.06，y＝0.03，组份中A为Y，B为Al。
[0046] 制备方法为：将高纯氧化物原料按照化学反应式：
[0047] 0.03Dy2O3+0.0075Tb4O7+1.455Y2O3+Sc2O3+1.5Al2O3
[0048] ＝Dy0.06Tb0.03Y2.91Sc2Al3O12+0.00375O2
[0049] 准确称取共610g，然后将原料均匀混合并压块，采用高温固相法在1400℃烧结48小时后得到Dy0.06Tb0.03Y2.91Sc2Al3O12多晶原料，接着将烧得的多晶原料装入直径为60mm，高
为60mm的铱金坩埚中，铱金坩埚放入激光晶体提拉炉中，关闭炉门并将炉膛抽成真空(低于
10Pa)后冲入氮气作为保护气体，采用感应加热法将原料熔化，待原料完全融化后继续升高
温度50℃并保持恒温2小时，促使原料混合充分，然后降回到熔点附近温度进行生长；生长
过程中使用[111]方向YSAG单晶作为生长籽晶，经过下种、放肩、等径、收尾和降温等生长过
程，最后得到直径为30mm、等径长度为35mm的Dy0.06Tb0.03Y2.91Sc2Al3O12单晶；生长过程中晶
体转速为5‑10转/分钟，生长提拉速度为0.8‑2mm/小时，生长过程完成后晶体的降温速率不
超过50℃/h。所生长的晶体如附图6所示。
为60mm的铱金坩埚中，铱金坩埚放入激光晶体提拉炉中，关闭炉门并将炉膛抽成真空(低于
10Pa)后冲入氮气作为保护气体，采用感应加热法将原料熔化，待原料完全融化后继续升高
温度50℃并保持恒温2小时，促使原料混合充分，然后降回到熔点附近温度进行生长；生长
过程中使用[111]方向YSAG单晶作为生长籽晶，经过下种、放肩、等径、收尾和降温等生长过
程，最后得到直径为30mm、等径长度为35mm的Dy0.06Tb0.03Y2.91Sc2Al3O12单晶；生长过程中晶
体转速为5‑10转/分钟，生长提拉速度为0.8‑2mm/小时，生长过程完成后晶体的降温速率不
超过50℃/h。所生长的晶体如附图6所示。
[0050] 接着对晶体进行了结构和光谱测试，结果表明：1)晶体的X射线粉末衍射如附图13+ 3+
所示，结果表明掺入的Dy 和Tb 顺利进入到Y的格位，没有影响基质晶体结构；2)晶体的室
‑1
温拉曼光谱如附图2所示，结果显示最大声子能量在736cm 附近，远高于氟化物和稀土钪酸
盐晶体的声子能量；3)晶体的吸收光谱如附图3所示和450nm激发的晶体发射光谱如附图4
所示，结果显示晶体在450nm处存在吸收，可以采用输出波长为450nm的GaN LD作为激光泵
浦源，晶体450nm激发的发射中心发射波长在585nm，表明晶体可以通过GaN LD泵浦实现黄
3+
光激光输出，此外，晶体在540‑550nm之间有明显的发射峰，该发射峰对应于Tb 的发射，而
3+ 3+ 3+
Tb 在450nm处又不存在吸收，因此表明晶体中存在Dy 和Tb 之间的能量共振转移。
所示，结果表明掺入的Dy 和Tb 顺利进入到Y的格位，没有影响基质晶体结构；2)晶体的室
‑1
温拉曼光谱如附图2所示，结果显示最大声子能量在736cm 附近，远高于氟化物和稀土钪酸
盐晶体的声子能量；3)晶体的吸收光谱如附图3所示和450nm激发的晶体发射光谱如附图4
所示，结果显示晶体在450nm处存在吸收，可以采用输出波长为450nm的GaN LD作为激光泵
浦源，晶体450nm激发的发射中心发射波长在585nm，表明晶体可以通过GaN LD泵浦实现黄
3+
光激光输出，此外，晶体在540‑550nm之间有明显的发射峰，该发射峰对应于Tb 的发射，而
3+ 3+ 3+
Tb 在450nm处又不存在吸收，因此表明晶体中存在Dy 和Tb 之间的能量共振转移。
[0051] 实施例2：GaN LD泵浦DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12晶体实现黄光激光输出
[0052] 采用输出波长为450nm的GaN激光二极管作为泵浦源，端面泵浦DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O123
晶体元件，元件尺寸为3×3×10mm ，两个端面具有非常高的平行度且经过精细抛光。激光
实验装置如附图5所示。激光谐振腔采用平平腔结构，腔镜由输入耦合镜M1和输出耦合镜M2
所组成；M1镜镀有450nm增透膜和585nm高反膜，M2镜镀有585nm部分透过膜，透过率为3‑
5％；M1与M2之间距离为2cm‑4cm。GaN LD输出的激光经过透镜聚焦后穿过M1垂直入射到晶
3+ 6 4
体端面，晶体中Dy 离子吸收泵浦光能量，通过 H15/2→I15/2能级跃迁，将基态的粒子抽运
4 4 4 4
到I15/2激发态能级上，再通过无辐射弛豫从 I15/2能级弛豫到 F9/2能级上，然后通过F9/2→
6
H13/2能级跃迁实现黄光波段激光输出，这样就构成了585nm黄光激光运转系统。此外，晶体
吸收泵浦激光能量从而会产生较多的废热，因此在激光实验中，还需要将DyxTbyA3‑x‑
ySc2B3O12晶体元件用铟箔包裹然后放入铜质水冷的热沉中进行水冷，以减少废热对激光振
荡的不良影响。
晶体元件，元件尺寸为3×3×10mm ，两个端面具有非常高的平行度且经过精细抛光。激光
实验装置如附图5所示。激光谐振腔采用平平腔结构，腔镜由输入耦合镜M1和输出耦合镜M2
所组成；M1镜镀有450nm增透膜和585nm高反膜，M2镜镀有585nm部分透过膜，透过率为3‑
5％；M1与M2之间距离为2cm‑4cm。GaN LD输出的激光经过透镜聚焦后穿过M1垂直入射到晶
3+ 6 4
体端面，晶体中Dy 离子吸收泵浦光能量，通过 H15/2→I15/2能级跃迁，将基态的粒子抽运
4 4 4 4
到I15/2激发态能级上，再通过无辐射弛豫从 I15/2能级弛豫到 F9/2能级上，然后通过F9/2→
6
H13/2能级跃迁实现黄光波段激光输出，这样就构成了585nm黄光激光运转系统。此外，晶体
吸收泵浦激光能量从而会产生较多的废热，因此在激光实验中，还需要将DyxTbyA3‑x‑
ySc2B3O12晶体元件用铟箔包裹然后放入铜质水冷的热沉中进行水冷，以减少废热对激光振
荡的不良影响。
[0053] 实施例3：Dy3+,Tb3+共掺含钪石榴石激光晶体Dy,Tb:LuSAG制备
[0054] 生长Dy3+掺杂浓度为1at％，Tb3+掺杂浓度为1at％的Dy0.03Tb0.03Lu2.94Sc2Al3O12晶3+ 3+
体。本实施例中Dy 的浓度为1at％，Tb 掺杂浓度为1at％，即分子式DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12中x
＝0.03，y＝0.03，组份中A为Lu，B为Al。制备方法为：将高纯氧化物原料按照化学反应式：
体。本实施例中Dy 的浓度为1at％，Tb 掺杂浓度为1at％，即分子式DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12中x
＝0.03，y＝0.03，组份中A为Lu，B为Al。制备方法为：将高纯氧化物原料按照化学反应式：
[0055] 0.015Dy2O3+0.0075Tb4O7+1.47Lu2O3+Sc2O3+1.5Al2O3
[0056] ＝Dy0.03Tb0.03Lu2.94Sc2Al3O12+0.00375O2
[0057] 准确称取共905g，然后将原料均匀混合并压块，采用高温固相法在1400℃烧结48小时后得到Dy0.03Tb0.03Lu2.94Sc2Al3O12多晶原料，接着将烧得的多晶原料装入直径为60mm，
高为60mm的铱金坩埚中，铱金坩埚放入激光晶体提拉炉中，关闭炉门并将炉膛抽成真空(低
于10Pa)后冲入氮气作为保护气体，采用感应加热法将原料熔化，待原料完全融化后继续升
高温度50℃并保持恒温2小时，促使原料混合充分，然后降回到熔点附近温度进行生长；生
长过程中使用[111]方向LuSAG单晶作为生长籽晶，经过下种、放肩、等径、收尾和降温等生
长过程，最后得到Dy0.03Tb0.03Lu2.94Sc2Al3O12单晶；生长过程中晶体转速为5‑10转/分钟，生
长提拉速度为0.8‑2mm/小时，生长过程完成后晶体的降温速率不超过50℃/h。
高为60mm的铱金坩埚中，铱金坩埚放入激光晶体提拉炉中，关闭炉门并将炉膛抽成真空(低
于10Pa)后冲入氮气作为保护气体，采用感应加热法将原料熔化，待原料完全融化后继续升
高温度50℃并保持恒温2小时，促使原料混合充分，然后降回到熔点附近温度进行生长；生
长过程中使用[111]方向LuSAG单晶作为生长籽晶，经过下种、放肩、等径、收尾和降温等生
长过程，最后得到Dy0.03Tb0.03Lu2.94Sc2Al3O12单晶；生长过程中晶体转速为5‑10转/分钟，生
长提拉速度为0.8‑2mm/小时，生长过程完成后晶体的降温速率不超过50℃/h。
[0058] 实施例4：Dy3+,Tb3+共掺含钪石榴石激光晶体Dy,Tb:GSGG制备
[0059] 生长Dy3+掺杂浓度为1at％，Tb3+掺杂浓度为1at％的Dy0.03Tb0.03Lu2.94Sc2Al3O12晶3+ 3+
体。本实施例中Dy 的浓度为1at％，Tb 掺杂浓度为1at％，即分子式DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12中x
＝0.03，y＝0.03，组份中A为Gd，B为Ga。制备方法为：将高纯氧化物原料按照化学反应式：
体。本实施例中Dy 的浓度为1at％，Tb 掺杂浓度为1at％，即分子式DyxTbyA3‑x‑ySc2B3O12中x
＝0.03，y＝0.03，组份中A为Gd，B为Ga。制备方法为：将高纯氧化物原料按照化学反应式：
[0060] 0.015Dy2O3+0.0075Tb4O7+1.47Gd2O3+Sc2O3+1.5Ga2O3
[0061] ＝Dy0.03Tb0.03Gd2.94Sc2Ga3O12+0.00375O2
[0062] 准确称取共880g，然后将原料均匀混合并压块，采用高温固相法在1400℃烧结48小时后得到Dy0.03Tb0.03Lu2.94Sc2Al3O12多晶原料，接着将烧得的多晶原料装入直径为60mm，
高为60mm的铱金坩埚中，铱金坩埚放入激光晶体提拉炉中，关闭炉门并将炉膛抽成真空(低
于10Pa)后冲入氮气作为保护气体，采用感应加热法将原料熔化，待原料完全融化后继续升
高温度50℃并保持恒温2小时，促使原料混合充分，然后降回到熔点附近温度进行生长；生
长过程中使用[111]方向GSGG单晶作为生长籽晶，经过下种、放肩、等径、收尾和降温等生长
过程，最后得到Dy0.03Tb0.03Lu2.94Sc2Al3O12单晶；生长过程中晶体转速为5‑10转/分钟，生长
提拉速度为0.8‑2mm/小时，生长过程完成后晶体的降温速率不超过50℃/h。
高为60mm的铱金坩埚中，铱金坩埚放入激光晶体提拉炉中，关闭炉门并将炉膛抽成真空(低
于10Pa)后冲入氮气作为保护气体，采用感应加热法将原料熔化，待原料完全融化后继续升
高温度50℃并保持恒温2小时，促使原料混合充分，然后降回到熔点附近温度进行生长；生
长过程中使用[111]方向GSGG单晶作为生长籽晶，经过下种、放肩、等径、收尾和降温等生长
过程，最后得到Dy0.03Tb0.03Lu2.94Sc2Al3O12单晶；生长过程中晶体转速为5‑10转/分钟，生长
提拉速度为0.8‑2mm/小时，生长过程完成后晶体的降温速率不超过50℃/h。
[0063] 以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很
多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理
和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利
要求书及其全部范围和等效物的限制。
多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理
和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利
要求书及其全部范围和等效物的限制。