專利名稱：以鉺和鐿離子雙摻硼鋁酸鹽晶體為增益介質(zhì)的1.5-1.6μm波段激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光晶體和器件領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
鉺激光器的1.5-1.6μm輸出波段處于光纖通信窗口和大氣傳輸窗口，而且該波段激光對人眼安全，因此被廣泛應用在國防和民用領(lǐng)域。由于Er3+離子在InGaAs半導體激光器輸出波段0.97μm附近的吸收很弱，為了提高半導體激光的泵浦效率，通常將在0.97μm附近波段具有高吸收截面的Yb3+離子作為敏化離子與Er3+離子雙摻到增益介質(zhì)中。為了增加從Yb3+到Er3+離子的正向能量傳遞速率，減小反向能量傳遞速率和Er3+離子的上轉(zhuǎn)換過程，實現(xiàn)Er3+離子4I13/2激光上能級粒子的高效布居反轉(zhuǎn)，增益介質(zhì)必須具有較高的聲子能量。而高的聲子能量將導致在激光運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生更多的熱量。因此，為了減小熱效應對激光性能的影響以及避免在高泵浦功率下介質(zhì)發(fā)生損傷，增益介質(zhì)還需要有良好的導熱和機械性能。目前，被廣泛研究的輸出1.5-1.6μm激光的增益介質(zhì)主要是具有高聲子能量的磷酸鹽玻璃(聲子能量大約為1300cm-1)和硼酸鈣氧鹽(YCa4O(BO3)3和GdCa4O(BO3)3)晶體(聲子能量大約為1400cm-1)。但由于這些材料的熱導率較低(磷酸鹽玻璃為1.2Wm-1K-1，硼酸鈣氧鹽晶體為2.65Wm-1K-1)，還未能在高斜率效率運轉(zhuǎn)的同時實現(xiàn)高功率1.5-1.6μm激光輸出。例如，以Er3+和Yb3+離子雙摻的YCa4O(BO3)3晶體為增益介質(zhì)的激光器雖然其斜率效率高達26.8％，但是連續(xù)激光的輸出功率僅為225mW；以Er3+和Yb3+離子雙摻的LaSc3(BO3)4晶體為增益介質(zhì)的激光器雖然其準連續(xù)激光輸出功率達到1.1W，但是其斜率效率僅為4.6％；Er3+和Yb3+離子雙摻磷酸鹽玻璃材料的斜率效率在15-40％之間，最大輸出功率一般不超過250mW。另外，雖然Er3+和Yb3+離子雙摻Y(jié)Al3(BO3)4晶體的生長和光譜已有報道(Materials Research Bulletin，39(9)(2004)1329)，但其僅限于對該晶體材料紅外和上轉(zhuǎn)換可見光譜初步的簡單測量，并未評估該基質(zhì)晶體中Er3+和Yb3+離子的光譜性能和Yb3+到Er3+離子的能量傳遞效果，該文沒有提及，也無法從該文推斷該材料具有同時實現(xiàn)高效和高功率1.5-1.6μm激光輸出的潛在可能。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是采用具有高聲子能量和高熱導率的晶體作為基質(zhì)材料，通過控制晶體中Er3+和Yb3+離子的濃度，同時實現(xiàn)高效和高功率的1.5-1.6μm激光輸出。
實現(xiàn)本發(fā)明的目的可采用如下技術(shù)方案采用具有高聲子能量和高熱導率的ErxYbyR(1-x-y)Al3(BO3)4晶體作為激光增益介質(zhì)，其中x＝0.05-5.00mol％，y＝1.0-40.0mol％，R為Sc、Y、La、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的組合。根據(jù)不同晶體中Yb3+到Er3+離子的能量傳遞速率、Yb3+和Er3+離子在晶體中的相關(guān)光譜參數(shù)以及激光器件中增益介質(zhì)的形態(tài)，確定合適的Yb3+和Er3+離子在晶體中的摻雜濃度。對上述晶體按器件要求切割并對兩通光面進行拋光處理后，將其置于相應的鍍膜片構(gòu)成的激光腔中，或?qū)㈠兡て苯渝冊诰w的兩通光面上，利用0.97μm附近波段(0.93-1.00μm)的紅外激光泵浦，即可構(gòu)成能同時實現(xiàn)高效(斜率效率高于20％)和高功率(激光輸出功率高于1.5W)的1.5-1.6μm激光輸出的激光器。
實施本發(fā)明技術(shù)方案具有的有益效果是目前，以Er3+和Yb3+離子雙摻的YCa4O(BO3)3晶體為增益介質(zhì)的激光器雖然其斜率效率高達26.8％，但是連續(xù)激光的輸出功率僅為225mW；以Er3+和Yb3+離子雙摻的LaSc3(BO3)4晶體為增益介質(zhì)的激光器雖然其準連續(xù)激光輸出功率達到1.1W，但是其斜率效率僅為4.6％；Er3+和Yb3+離子雙摻磷酸鹽玻璃材料的斜率效率在15-40％之間，最大輸出功率一般不超過250mW。而利用RAl3(BO3)4基質(zhì)晶體具有的高聲子能量(約1400cm-1)和高熱導率(大于4.5Wm-1K-1)的特性，通過Yb3+到Er3+離子的正向能量傳遞，實現(xiàn)Er3+離子4I13/2激光上能級粒子的高效布居反轉(zhuǎn)，并且減小熱效應對激光性能的影響以及介質(zhì)在高泵浦功率下發(fā)生損傷的可能性，可以同時實現(xiàn)高效(斜率效率高于20％)和高功率(激光輸出功率高于1.5W)的1.5-1.6μm激光輸出。

具體實施例方式 實例10.97μm半導體激光泵浦Yb3+和Er3+離子激活的YAl3(BO3)4晶體實現(xiàn)1.55μm激光輸出。
利用熔鹽法生長摻雜25mol％Yb3+和1.1mol％Er3+離子的YAl3(BO3)4晶體。在0.97μm處，Yb3+和Er3+離子對沿光軸入射的泵浦光的吸收系數(shù)為26cm-1。根據(jù)晶體需對入射泵浦光功率單程吸收80％左右的原則，確定晶體的厚度為0.6mm(端面積一般在平方毫米到平方厘米)。然后將晶體端面拋光后置于激光腔中，入射鍍膜腔鏡在0.97μm波長處高透、1.55μm波長處高反(R＞99％)，出射鍍膜腔鏡在0.97μm波長處高反(R＞98％)、1.55μm波長處透過率為1.5％。利用0.97μm半導體激光端面泵浦，此激光器即可輸出斜率效率高于21％，輸出功率高于2W的1.55μm激光。將其中一面或兩面介質(zhì)膜鍍在晶體通光面上亦可構(gòu)成激光器件，并實現(xiàn)同樣的目的。
實例20.97μm半導體激光泵浦Yb3+和Er3+離子激活的YAl3(BO3)4晶體實現(xiàn)1.6μm激光輸出。
利用熔鹽法生長摻雜20mol％Yb3+和1.1mol％Er3+離子的YAl3(BO3)4晶體。在0.97μm處，Yb3+和Er3+離子對沿光軸入射的泵浦光的吸收系數(shù)為21cm-1。根據(jù)晶體需對入射泵浦光功率單程吸收80％左右的原則，確定晶體的厚度為0.75mm(端面積一般在平方毫米到平方厘米)。然后將晶體端面拋光后置于激光腔中，入射鍍膜腔鏡在0.97μm波長處高透、1.6μm波長處高反(R＞99％)，出射鍍膜腔鏡在0.97μm波長處高反(R＞98％)、1.6μm波長處透過率為0.7％。利用0.97μm半導體激光端面泵浦，此激光器即可輸出斜率效率高于19％，輸出功率高于1.8W的1.6μm激光。將其中一面或兩面介質(zhì)膜鍍在晶體通光面上亦可構(gòu)成激光器件，并實現(xiàn)同樣的目的。
實例30.976μm半導體激光泵浦Yb3+和Er3+離子激活的GdAl3(BO3)4晶體實現(xiàn)1.55μm激光輸出。
利用熔鹽法生長摻雜30mol％Yb3+和1.0mol％Er3+離子的GdAl3(BO3)4晶體。在0.976μm處，Yb3+和Er3+離子對沿光軸入射的泵浦光的吸收系數(shù)為42cm-1。根據(jù)晶體需對入射泵浦光功率單程吸收80％左右的原則，確定晶體的厚度為0.38mm(端面積一般在平方毫米到平方厘米)。然后將晶體端面拋光后置于激光腔中，入射鍍膜腔鏡在0.976μm波長處高透、1.55μm波長處高反(R＞99％)，出射鍍膜腔鏡在0.976μm波長處高反(R＞98％)、1.55μm波長處透過率為1.5％。利用0.976μm半導體激光端面泵浦，此激光器即可輸出斜率效率高于24％，輸出功率高于2.5W的1.55μm激光。將其中一面或兩面介質(zhì)膜鍍在晶體通光面上亦可構(gòu)成激光器件，并實現(xiàn)同樣的目的。
實例40.97μm半導體激光泵浦Yb3+和Er3+離子激活的YAl3(BO3)4晶體實現(xiàn)1.55μm被動調(diào)Q脈沖激光輸出。
直接將調(diào)Q片(如Co2+:MgAl2O4，Co2+:ZnSe或Cr2+:ZnSe等)插入實例1中晶體和輸出腔鏡之間，利用0.97μm半導體激光端面泵浦即可實現(xiàn)1.55μm被動調(diào)Q脈沖激光輸出?；蛘邔⒕w的一個端面與調(diào)Q片的一個端面粘貼，再將晶體的另一個端面和調(diào)Q片的另一個端面鍍上適合0.97μm紅外激光端面泵浦、激光諧振并輸出脈沖激光的介質(zhì)膜，利用0.97μm半導體激光端面泵浦也可輸出1.55μm被動調(diào)Q脈沖激光。
權(quán)利要求
1.以鉺和鐿離子雙摻硼鋁酸鹽晶體為增益介質(zhì)的1.5-1.6μm波段激光器，其特征在于該激光器采用的激光晶體為ErxYbyR(1-x-y)Al3(BO3)4晶體，其中x＝0.05-5.00mol％，y＝1.0-40.0mol％，R為Sc、Y、La、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的組合；該激光器采用0.93-1.00μm波段的紅外光進行泵浦。
2.一種以鉺和鐿離子雙摻硼鋁酸鹽晶體為增益介質(zhì)的1.5-1.6μm波段激光器，其特征在于該激光器采用的激光晶體為ErxYbyR(1-x-y)Al3(BO3)4晶體，其中x＝0.05-5.00mol％，y＝1.0-40.0mol％，R為Sc、Y、La、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的組合；該激光器采用0.93-1.00μm波段的紅外光進行泵浦；直接在激光晶體的兩端面鍍膜，構(gòu)成一個沒有入射腔鏡片和出射腔鏡片的激光器。
3.一種以鉺和鐿離子雙摻輸出1.5-1.6μm激光的被動調(diào)Q激光器，其特征在于該激光器采用的激光晶體為ErxYbyR(1-x-y)Al3(BO3)4晶體，其中x＝0.05-5.00mol％，y＝1.0-40.0mol％，R為Sc、Y、La、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的組合；將調(diào)Q片置于激光晶體和輸出腔鏡之間，利用0.97μm附近波段的紅外激光泵浦輸出被動調(diào)Q脈沖激光。
4.一種以鉺和鐿離子雙摻輸出1.5-1.6μm激光的被動調(diào)Q激光器，其特征在于該激光器采用的激光晶體為ErxYbyR(1-x-y)Al3(BO3)4晶體，其中x＝0.05-5.00mol％，y＝1.0-40.0mol％，R為Sc、Y、La、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的組合；將激光晶體的一個端面與調(diào)Q片的一個端面粘貼，再將激光晶體的另一個端面和調(diào)Q片的另一個端面鍍上適合0.97μm附近波段的紅外激光端面泵浦、激光諧振并輸出脈沖激光的介質(zhì)膜，利用0.97μm附近波段的紅外激光泵浦輸出被動調(diào)Q脈沖激光。
全文摘要
以鉺和鐿離子雙摻硼鋁酸鹽晶體為增益介質(zhì)的1.5-1.6μm波段激光器，屬于激光晶體和器件領(lǐng)域。該激光器采用的激光晶體為ErxYbyR(1-x-y)Al3(BO3)4晶體，其中x＝0.05-5.00mol％，y＝1.0-40.0mol％，R為Sc、Y、La、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的組合；該激光器采用0.93-1.00μm波段的紅外光進行泵浦，可以同時實現(xiàn)高效(斜率效率高于20％)和高功率(激光輸出功率高于1.5W)的1.5-1.6μm激光輸出。
文檔編號H01S3/16GK101165978SQ200610140890
公開日2008年4月23日 申請日期2006年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月16日
發(fā)明者陳雨金, 林炎富, 黃藝東, 龔興紅, 羅遵度, 譚奇光 申請人:中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所