技术领域
[0001] 本
发明涉及超快激光晶体材料领域，尤其涉及一种铥钬共掺镓酸钡镧激光晶体、制造方法及其应用。
背景技术
[0002] 2μm波段超短脉冲
光源作为人眼安全激光在医学
治疗、激光遥感和
激光雷达等领域显示出越来越多广泛的应用。2μm激光，主要由Tm3+或Ho3+
激光器直接激发产生。Ho3+激光器是准三能级系统，由5I7→5I8跃迁产生的2.0μm波段激光,受激发射截面大，
荧光寿命长，具有独特优势。但是目前没有合适的激光
二极管泵浦源，常常采用Tm3+离子激光器谐振泵浦3+ 3+ 3+ 3+
实现激光输出。采用Tm 和Ho 共掺杂体系，Tm 离子作为敏化离子，借助于Tm 的交叉弛豫
3H4+3H6→3F4+3F4以及铥向钬的
能量传递3F4(Tm3+)+5I8(Ho3+)→3H6(Tm3+)+5I7(Ho3+)，可以方便地利用发射
波长在800nm附近的激光器进行泵浦。
[0003] 目前研究的较为广泛的晶体主要有掺Tm3+掺Ho3+及共掺杂的YAG、YAP、YLF、LuLF等晶体。但上述几种晶体的研究主要集中于连续和调Q方面，在
锁模激光输出方面仅获得ps量级的激光输出。
[0004] 目前具有广泛应用的2μm波段超短超强激光的研究正处于起步阶段，且缺少产生相应波段的超快激光增益放大介质。
发明内容
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提出一种铥钬共掺镓酸钡镧激光晶体，实现2μm波段激光发射。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的方案是：
[0007] 一种铥钬共掺镓酸钡镧激光晶体，所述晶体的化学式为：Tm，Ho：BaLaGa3O7，属于四方晶系，空间群为
[0008] 所述Tm为Tm3+，所述Tm3+的掺杂浓度2.5～20at％；所述Ho为Ho3+，所述Ho3+的掺杂浓度0.5～2at％。
[0009] 一种铥钬共掺镓酸钡镧激光晶体的制备方法，包括步骤：
[0010] 1)、采用BaCO3，La2O3，Ga2O3，Tm2O3和Ho2O3为原料，按照反应式：2BaCO3+(1-x-y)La2O3+3Ga2O3+xTm2O3+yHo2O3＝2BaLa(1-x-y)TmxHoyGa3O7+2CO2↑中的摩尔比进行配比，另外再将Ga2O3按照1wt.％的比例进行添加，并将所有原料混合均匀；其中0.025≤x≤0.2，0.005≤y≤0.02；
[0011] 2)、将混合均匀后的原料放置到白金
坩埚中，在950℃
温度下恒温
烧结10小时，然后把烧结的原料
研磨，压
块，再放置到白金坩埚中，
马弗炉内烧结10小时，经过固相反应合成Tm，Ho：BaLaGa3O7晶体多晶料；
[0012] 3)、多晶料置于铱金坩埚中，装入单晶提拉炉，抽高
真空，充入氮气保护气氛，中频
感应加热，下籽晶进行晶体生长；
[0013] 4)、晶体生长完毕后降温至室温，出炉；对出炉的晶体
退火处理。
[0014] 所述步骤2)中的马弗炉内的烧结的温度为1000℃～1050℃。
[0015] 所述步骤3)中晶体生长环境是：生长温度为1500℃，晶体提拉速度为0.6-1毫米/小时，旋转速度为15-20转/分钟。
[0016] 所述步骤4)中降温的降温速率为：25℃/小时。
[0017] 所述步骤4)中退火处理的步骤是：出炉的晶体放置到电炉中退火，退火温度为900℃～1000℃，退火时间为8～10小时。
[0018] 一种权利铥钬共掺镓酸钡镧激光晶体的应用，所述晶体用于固体激光器中作为激光工作物质，使用
激光二极管或
钛宝石激光器作为泵浦源，激发产生2μm波段连续、可调谐以及超短脉冲的激光输出。
[0019] 本发明的有益效果为：采用Tm3+和Ho3+共同掺杂体系，Tm3+作敏化离子，Ho3+为激活离子，提高激光输出效率，利用锁模元件，实现2um锁模激光高效输出。
附图说明
[0021] 图2连续可调谐激光装置。
[0022] 图3 2um锁模激光装置。
[0023] 其中，1激光二极管、2
准直镜、3聚焦镜、4输入平面镜、41输入平凹镜、5激光介质、6双折射滤波片、7平凹输出耦合镜、8钛宝石激光器、9平凹高反聚焦镜、10平凹高反镜、11锁模元件、12输出耦合镜。
具体实施方式
[0024] 为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0025] 本发明使用提拉法进行晶体生长，采用BaCO3，La2O3，Ga2O3，Tm2O3和Ho2O3为原料，反应化学式为：
[0026] 2BaCO3+(1-x-y)La2O3+3Ga2O3+xTm2O3+yHo2O3＝2BaLa(1-x-y)TmxHoyGa3O7+2CO2↑[0027] 实施例1：BaLa0.97Tm0.025Ho0.005Ga3O7晶体的制备(x＝0.025，y＝0.005)[0028] 使用BaCO3，La2O3，Ga2O3，Tm2O3和Ho2O3高纯原料(纯度为99.999％)，根据化学方程式：
[0029] BaCO3+0.485La2O3+1.5Ga2O3+0.0125Tm2O3+0.0025Ho2O3＝BaLa0.97Tm0.025Ho0.005Ga3O7+CO2↑
[0030] 按化学计量比配制生长Tm，Ho：BaLaGa3O7晶体的原料(其中Ga2O3过量1wt.％)。1wt.％是指各原料总
质量的百分之一。配制的原料放置到白金坩埚中，在950℃温度下烧结
10小时，然后把烧结的原料研磨，压块，再放置到白金坩埚中，马弗炉内1000℃烧结10小时，固相反应合成Tm，Ho：BaLaGa3O7多晶料。把Tm，Ho：BaLaGa3O7多晶料放置到铱金坩埚内，单晶炉抽真空，充保护氮气。升温至1500℃，让料充分
熔化混合后，放下c方向的Tm，Ho：BaLaGa3O7籽晶，开始生长晶体，晶体拉速为1毫米/小时，旋转速度为15转/分钟，得到Tm，Ho：BaLaGa3O7晶体，晶体完整无开裂。
[0031] 把生长的Tm，Ho：BaLaGa3O7晶体放置到
电阻炉中退火，退火温度为900℃，退火时间为8小时，这样可以部分释放生长晶体过程中产生的热应
力。
[0032] 实施例2：BaLa0.945Tm0.05Ho0.005Ga3O7晶体的制备(x＝0.05，y＝0.005)[0033] 使用BaCO3，La2O3，Ga2O3，Tm2O3和Ho2O3高纯原料(纯度为99.999％)，根据化学方程式：
[0034] BaCO3+0.4725La2O3+1 .5Ga2O3+0 .025Tm2O3+0.0025Ho2O3＝BaLa0.945Tm0.05Ho0.005Ga3O7+CO2↑
[0035] 按化学计量比配制生长Tm，Ho：BaLaGa3O7晶体的原料(其中Ga2O3过量1wt.％)。配制的原料放置到白金坩埚中，在950℃温度下烧结10小时，然后把烧结的原料研磨，压块，再放置到白金坩埚中，马弗炉内1010℃烧结10小时，固相反应合成Tm，Ho：BaLaGa3O7多晶料。把Tm，Ho：BaLaGa3O7多晶料放置到铱金坩埚内，单晶炉抽真空，充保护氮气。升温至1500℃，让料充分熔化混合后，放下c方向的Tm，Ho：BaLaGa3O7籽晶，开始生长晶体，晶体拉速为1毫米/小时，旋转速度为15转/分钟，得到Tm，Ho：BaLaGa3O7晶体，晶体完整无开裂。
[0036] 把生长的Tm，Ho：BaLaGa3O7晶体放置到电阻炉中退火，退火温度为950℃，退火时间为8小时，这样可以部分释放生长晶体过程中产生的热
应力。
[0037] 实施例3：BaLa0.94Tm0.05Ho0.01Ga3O7晶体的制备(x＝0.05，y＝0.01)[0038] 使用BaCO3，La2O3，Ga2O3，Tm2O3和Ho2O3高纯原料(纯度为99.999％)，根据化学方程式：
[0039] BaCO3+0.47La2O3+1.5Ga2O3+0.025Tm2O3+0.005Ho2O3＝BaLa0.94Tm0.05Ho0.01Ga3O7+CO2↑
[0040] 按化学计量比配制生长Tm，Ho：BaLaGa3O7晶体的原料(其中Ga2O3过量1wt.％)。配制的原料放置到白金坩埚中，在950℃温度下烧结10小时，然后把烧结的原料研磨，压块，再放置到白金坩埚中，马弗炉内1010℃烧结10小时，固相反应合成Tm，Ho：BaLaGa3O7多晶料。把Tm，Ho：BaLaGa3O7多晶料放置到铱金坩埚内，单晶炉抽真空，充保护氮气。升温至1500℃，让料充分熔化混合后，放下c方向的Tm，Ho：BaLaGa3O7籽晶，开始生长晶体，晶体拉速为0.8毫米/小时，旋转速度为17转/分钟，得到Tm，Ho：BaLaGa3O7晶体，晶体完整无开裂。
[0041] 把生长的Tm，Ho：BaLaGa3O7晶体放置到电阻炉中退火，退火温度为950℃，退火时间为8小时，这样可以部分释放生长晶体过程中产生的
热应力。
[0042] 实施例4：BaLa0.89Tm0.1Ho0.01Ga3O7晶体的制备(x＝0.1，y＝0.01)[0043] 使用BaCO3，La2O3，Ga2O3，Tm2O3和Ho2O3高纯原料(纯度为99.999％)，根据化学方程式：
[0044] BaCO3+0.445La2O3+1.5Ga2O3+0.05Tm2O3+0.005Ho2O3＝BaLa0.89Tm0.1Ho0.01Ga3O7+CO2↑[0045] 按化学计量比配制生长Tm，Ho：BaLaGa3O7晶体的原料(其中Ga2O3过量1wt.％)。配制的原料放置到白金坩埚中，在950℃温度下烧结10小时，然后把烧结的原料研磨，压块，再放置到白金坩埚中，马弗炉内1030℃烧结10小时，固相反应合成Tm，Ho：BaLaGa3O7多晶料。把Tm，Ho：BaLaGa3O7多晶料放置到铱金坩埚内，单晶炉抽真空，充保护氮气。升温至1500℃，让料充分熔化混合后，放下c方向的Tm，Ho：BaLaGa3O7籽晶，开始生长晶体，晶体拉速为0.8毫米/小时，旋转速度为17转/分钟，得到Tm，Ho：BaLaGa3O7晶体，晶体完整无开裂。
[0046] 把生长的Tm，Ho：BaLaGa3O7晶体放置到电阻炉中退火，退火温度为1000℃，退火时间为9小时，这样可以部分释放生长晶体过程中产生的热应力。
[0047] 实施例5：BaLa0.835Tm0.15Ho0.015Ga3O7晶体的制备(x＝0.15，y＝0.015)[0048] 使用BaCO3，La2O3，Ga2O3，Tm2O3和Ho2O3高纯原料(纯度为99.999％)，根据化学方程式：
[0049] BaCO3+0.4175La2O3+1 .5Ga2O3+0 .075Tm2O3+0.0075Ho2O3＝BaLa0.835Tm0.15Ho0.015Ga3O7+CO2↑
[0050] 按化学计量比配制生长Tm，Ho：BaLaGa3O7晶体的原料(其中Ga2O3过量1wt.％)。配制的原料放置到白金坩埚中，在950℃温度下烧结10小时，然后把烧结的原料研磨，压块，再放置到白金坩埚中，马弗炉内1030℃烧结10小时，固相反应合成Tm，Ho：BaLaGa3O7多晶料。把Tm，Ho：BaLaGa3O7多晶料放置到铱金坩埚内，单晶炉抽真空，充保护氮气。升温至1500℃，让料充分熔化混合后，放下c方向的Tm，Ho：BaLaGa3O7籽晶，开始生长晶体，晶体拉速为0.6毫米/小时，旋转速度为20转/分钟，得到Tm，Ho：BaLaGa3O7晶体，晶体完整无开裂。
[0051] 把生长的Tm，Ho：BaLaGa3O7晶体放置到电阻炉中退火，退火温度为1000℃，退火时间为9小时，这样可以部分释放生长晶体过程中产生的热应力。
[0052] 实施例6：BaLa0.78Tm0.2Ho0.02Ga3O7晶体的制备(x＝0.2，y＝0.02)[0053] 使用BaCO3，La2O3，Ga2O3，Tm2O3和Ho2O3高纯原料(纯度为99.999％)，根据化学方程式：
[0054] BaCO3+0.39La2O3+1.5Ga2O3+0.1Tm2O3+0.01Ho2O3＝BaLa0.78Tm0.2Ho0.02Ga3O7+CO2↑[0055] 按化学计量比配制生长Tm，Ho：BaLaGa3O7晶体的原料(其中Ga2O3过量1wt.％)。配制的原料放置到白金坩埚中，在950℃温度下烧结10小时，然后把烧结的原料研磨，压块，再放置到白金坩埚中，马弗炉内1050℃烧结10小时，固相反应合成Tm，Ho：BaLaGa3O7多晶料。把Tm，Ho：BaLaGa3O7多晶料放置到铱金坩埚内，单晶炉抽真空，充保护氮气。升温至1500℃，让料充分熔化混合后，放下c方向的Tm，Ho：BaLaGa3O7籽晶，开始生长晶体，晶体拉速为0.6毫米/小时，旋转速度为20转/分钟，得到Tm，Ho：BaLaGa3O7晶体，晶体完整无开裂。
[0056] 把生长的Tm，Ho：BaLaGa3O7晶体放置到电阻炉中退火，退火温度为1000℃，退火时间为10小时，这样可以部分释放生长晶体过程中产生的热应力。
[0057] 实施例1-6中，生成的晶体如图1所示，所述晶体的化学式为：Tm，Ho：BaLaGa3O7，所3+ 3+
述晶体属于四方晶系，空间群为 所述Tm为Tm ，所述Tm 的掺杂浓度2.5～20at％；
所述Ho为Ho3+，所述Ho3+的掺杂浓度0.5～2at％。1at％指的是摩尔掺杂浓度为1％。
[0058] 实施例1-6中，把生成的晶体先降至室温再做退火处理，降温的速率为25℃/小时。
[0059] 实施例7:2um连续可调谐激光输出
[0060] 将实施例1-6中所得到的Tm，Ho：BaLaGa3O7晶体，按附图2所示安置在5的
位置上，
激光束经过聚焦系统入射到Tm，Ho：BaLaGa3O7激光元件中，得到2um连续可调谐激光输出。
[0061] 图2为连续可调谐激光输出装置，包括激光二极管1、准直镜2、聚焦镜3、输入平面镜4、激光介质5、双折射滤波片6、平凹输出耦合镜7。
[0062] 泵浦源为激光二极管，
谐振腔输入镜一端
镀泵浦波长增透膜，另一端镀泵浦波长增透和增益波长高反射的介质膜。激光介质镀泵浦波长和增益波长增透的介质膜，提高激光输出性能。输出耦合镜镀2um部分透射的介质膜，透过率为1.5％，3％和5％。
[0063] 实施例8:2um超短脉冲激光输出
[0064] 将实施例1-6中所得到的Tm，Ho：BaLaGa3O7晶体，按附图3所示安置在5的位置上，得到2um锁模激光输出。
[0065] 图3为超短脉冲激光输出装置，包括：钛宝石激光器8、聚焦镜3、输入平凹镜41、激光介质5、平凹高反聚焦镜9、平凹高反镜10、锁模元件11以及输出耦合镜12。
[0066] 泵浦源为钛宝石激光器，最大输出功率超过3瓦。输入平凹镜一端镀泵浦波长增透膜，另一端镀泵浦波长增透和增益波长高反射的介质膜。平凹高反镜和平凹高反聚焦镜镀增益波长高反射的介质膜，输出耦合镜镀增益波长部分透射的介质膜，透过率为1.5％，3％和5％。为提高激光输出性能，激光介质镀泵浦波长和增益波长增透的介质膜。
[0067] BaLaGa3O7晶体具有黄
长石结构，掺杂离子Tm3+和Ho3+取代La3+离子，基质晶体中形成许多结构上不同的激活中心，造成
光谱包括吸收光谱和发射光谱的非均匀加宽，并使得受激发射截面减小。宽的吸收光谱，大大提高了激励能的利用率；而宽的发射谱线是产生锁模(尤其是飞秒脉冲)激光所梦寐以求的。铥钬共掺杂的镓酸钡镧晶体物理性能优异，是一种理想的2um超快激光晶体。
[0068] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的
基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种
修改或
变形仍在本发明的保护范围以内。
