基于鍵合晶體的1.5至1.6微米波段及其變頻激光器的制造方法
【專利摘要】一種以鍵合晶體作為增益介質(zhì)的1.5至1.6微米波段及其變頻激光器，屬于固體激光材料和器件領(lǐng)域。利用純的四硼酸鋁鹽RAl3(BO3)4基質(zhì)晶體具有熱導(dǎo)率高和有效非線性光學(xué)系數(shù)大的特點(diǎn)，將其與鉺鐿雙摻四硼酸鋁鹽激光晶體能夠?qū)崿F(xiàn)1.5至1.6微米波段激光高效運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，通過擴(kuò)散鍵合技術(shù)使基質(zhì)晶體和激光晶體結(jié)合成鍵合晶體，采用976納米附近波長的近紅外激光泵浦，實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量和高功率的1.5至1.6微米波段及其變頻激光輸出。
【專利說明】基于鍵合晶體的1.5至1.6微米波段及其變頻激光器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及固體激光材料和器件領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]把一塊激光晶體和一塊或兩塊純的同質(zhì)基底材料通過擴(kuò)散鍵合成為穩(wěn)固結(jié)合的整體即為鍵合晶體。由于同質(zhì)基底材料起到熱沉的作用，有利于激光晶體更好地散熱，可有效改善激光晶體中心和側(cè)面的溫度梯度，減小由端面變形引起的熱透鏡效應(yīng)，有利于實(shí)現(xiàn)高功率和高光束質(zhì)量激光的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。目前，廣泛采用的同質(zhì)基底材料主要是具有高熱導(dǎo)率的純YAG和YVO4晶體。利用這些晶體與摻Nd3+、Yb3+或者Tm3+的同質(zhì)激光晶體鍵合，可以實(shí)現(xiàn)1.0和2.0微米波段的高功率連續(xù)激光運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0003]采用Er3+和Yb3+雙摻晶體作為增益介質(zhì)是一種獲得高性能1.5至1.6微米波段激光的有效方法。然而，研究發(fā)現(xiàn)利用Er3+和Yb3+雙摻的YAG和YVO4晶體作為增益介質(zhì)，均難以實(shí)現(xiàn)高效的1.5至1.6微米波段激光運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，也就沒有相應(yīng)的鍵合晶體以實(shí)現(xiàn)1.5至1.6微米波段的高功率連續(xù)激光。
[0004]Er3+和Yb3+雙摻的四硼酸鋁鹽RAl3 (BO3)4 (Er:Yb:RAB，R=Y，Gd和Lu等)晶體已經(jīng)被證明是一種可以實(shí)現(xiàn)1.5至1.6微米波段激光高效運(yùn)轉(zhuǎn)的增益介質(zhì)。然而，該類晶體在泵浦過程中產(chǎn)生較多的熱量，可引起嚴(yán)重的晶體熱效應(yīng)。盡管純的RAB晶體具有高的熱導(dǎo)率(約 UWnr1IT1, Cryst.Growth Des.，2011，11 (11)，pp5048_5052)，但是該值隨晶體中 Yb3+離子摻雜濃度的增加而顯著降低(5.6at.%Yb:YAB晶體熱導(dǎo)率僅為4.Tffm^r1, Appl.Phys.B，2003，76(3)，pp289-292)。而要實(shí)現(xiàn)高效的1.5至1.6微米波段激光運(yùn)轉(zhuǎn)，Er:Yb:RAB晶體中Yb3+離子的摻雜濃度必須足夠高(大約IOat.%以上)。因此，Er:Yb:RAB激光晶體的熱導(dǎo)率無法有效減小晶體中的溫度梯`度，從而限制了 1.5至1.6微米波段激光的連續(xù)輸出功率和光束質(zhì)量。如果將純RAB晶體與Er:Yb:RAB激光晶體鍵合在一起，利用具有高熱導(dǎo)率的RAB晶體作為熱沉，就可以大大提高1.5至1.6微米波段激光的連續(xù)輸出功率和光束質(zhì)量。另外，純RAB晶體還是一種非常優(yōu)秀的非線性光學(xué)晶體。因此，如果將RAB晶體按照一定的變頻相位匹配角切割，還可以利用它們將基頻激光通過倍頻或和頻過程獲得變頻激光輸出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是利用純的四硼酸鋁鹽晶體具有熱導(dǎo)率高和有效非線性光學(xué)系數(shù)大的特點(diǎn)，將其與鉺鐿雙摻四硼酸鋁鹽激光晶體能夠?qū)崿F(xiàn)1.5至1.6微米波段激光高效運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，克服目前已有材料的不足，實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量和高功率的1.5至1.6微米波段及其變頻激光輸出。
[0006]本發(fā)明包括如下技術(shù)方案:
[0007]1.一種基于鍵合晶體的1.5至1.6微米波段固體激光器，是由976納米附近波長的近紅外激光泵浦系統(tǒng)、鍍上介質(zhì)膜的激光輸入和輸出腔鏡以及置于輸入和輸出腔鏡間的激光增益介質(zhì)所組成。其特征在于:該激光器中的激光增益介質(zhì)為純的RAl3(BO3)4基質(zhì)晶體和鉺鐿雙摻的RAl3(BO3)4激光晶體通過擴(kuò)散鍵合技術(shù)結(jié)合在一起的鍵合晶體，其中R為Sc、Y、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的組合；鉺鐿雙摻的RAl3(BO3)4激光晶體中鉺離子摻雜濃度為0.5~2.0at.%，鐿離子摻雜濃度為10~30at.% ;基質(zhì)晶體可以鍵合在激光晶體的一個端面，也可以同時鍵合在激光晶體的兩個端面。
[0008]2.一種基于鍵合晶體的變頻固體激光器。其特征在于:將項I所述的基質(zhì)晶體和激光晶體均按照其變頻相位匹配角進(jìn)行切割；激光輸入和輸出腔鏡鍍上適合變頻激光運(yùn)轉(zhuǎn)的介質(zhì)膜。
[0009]3.如項I和2所述的固體激光器。其特征在于:將其中一面或兩面激光腔鏡介質(zhì)膜分別直接鍍在所述的鍵合晶體的一個或兩個相對端面上。
[0010]4.一種1.5至1.6微米波段及其變頻脈沖激光器。其特征在于:在項I和2所述的激光器的鍵合晶體和激光輸出腔鏡之間插入1.5至1.6微米波段的調(diào)Q或鎖模元件，輸出1.5至1.6微米波段及其變頻脈沖激光。
[0011]5.如項4所述的激光器。其特征在于:將所述的鍵合晶體的一個端面與所述的調(diào)Q或鎖模元件的一個端面粘貼，在鍵合晶體的另一個端面和調(diào)Q或鎖模元件的另一個端面分別鍍上激光輸入和輸出腔鏡介質(zhì)膜。
[0012]6.如項5所述的激光器。其特征在于:將所述的鍵合晶體與所述的調(diào)Q或鎖模元件分開。
[0013]利用本發(fā)明技術(shù)方案制造的固體激光器具有的有益效果是能獲得高功率和高光束質(zhì)量的1.5至1.6微米波段及其變頻固體激光，而且可以使器件緊湊和穩(wěn)定可靠，使用更加方便。
【具體實(shí)施方式】
[0014]實(shí)例1:976nm 半導(dǎo)體激光端面泵浦 Er:Yb = YAl3(BO3)/YAl3(BO3)4 (Er:Yb:YAB/YAB)鍵合晶體實(shí)現(xiàn)1600nm連續(xù)激光輸出。
[0015]將純的YAB基質(zhì)晶體和共摻15at.%Yb3+離子、0.9at.%Er3+離子的YAB激光晶體分別切割成5 X 5 X 3mm3和5 X 5 X 0.6mm3的c切晶片(短邊為晶體光軸方向)，并將晶體端面進(jìn)行激光級拋光處理。然后將基質(zhì)晶體和激光晶體的兩個大面(5 X 5mm2)進(jìn)行擴(kuò)散鍵合，使其緊密結(jié)合在一起形成鍵合晶體。隨后將鍵合晶體固定在銅基座上并置于激光腔中。激光輸入腔鏡介質(zhì)膜在976nm波長處透過率T≤90%,在1.5至1.6 y m波段處透過率T≤0.1%，激光輸出腔鏡介質(zhì)膜在1.5至1.6 ii m波段處透過率T = L 0%。利用20W的976nm半導(dǎo)體激光端面泵浦即可得到功率高于2W的1600nm連續(xù)激光輸出。也可以將激光輸入和輸出腔鏡介質(zhì)膜分別鍍在鍵合晶體的兩個相對端面上，以實(shí)現(xiàn)同樣的目的。另外，也可以同時將兩炔基質(zhì)晶體分別與激光晶體的前后端`面均進(jìn)行擴(kuò)散鍵合，使其形成YAB/Er:Yb:YAB/YAB鍵合晶體，以實(shí)現(xiàn)同樣的目的。
[0016]實(shí)例2:976nm 半導(dǎo)體激光端面泵浦 Er:Yb = YAl3(BO3)/YAl3(BO3)4 (Er:Yb:YAB/YAB)鍵合晶體實(shí)現(xiàn)1600nm被動調(diào)Q脈沖激光輸出。
[0017]直接將被動調(diào)Q片(如Co2+:MgAl2O4, Co2+: ZnSe, Cr2+: ZnSe等)插入實(shí)例I中鍵合晶體和激光輸出腔鏡之間，利用976nm半導(dǎo)體激光端面泵浦即可實(shí)現(xiàn)1600nm被動調(diào)Q脈沖激光輸出?；蛘邔㈡I合晶體的一個端面與被動調(diào)Q片的一個端面粘貼，再將鍵合晶體的另一個端面和被動調(diào)Q片的另一個端面分別鍍上激光輸入和輸出腔鏡介質(zhì)膜，利用976nm半導(dǎo)體激光端面泵浦也可輸出1600nm被動調(diào)Q脈沖激光。
[0018]實(shí)例3:976nm 半導(dǎo)體激光端面泵浦 Er:Yb = YAl3(BO3)/YAl3(BO3)4 (Er:Yb:YAB/YAB)鍵合晶體實(shí)現(xiàn)800nm倍頻連續(xù)激光輸出。 [0019]將純的YAB基質(zhì)晶體和共摻20at.%Yb3+離子、1.lat.%Er3+離子的YAB激光晶體分別按1600nm波長處的I類倍頻相位匹配角0=23.4°，(6=0°定向切割成5X 5X 3mm3和5X5Xlmm3的晶片，并將晶體端面進(jìn)行激光級拋光處理。然后將基質(zhì)晶體和激光晶體的兩個大面(5X5mm2)進(jìn)行擴(kuò)散鍵合，使其緊密結(jié)合在一起形成鍵合晶體。隨后將鍵合晶體固定在銅基座上并置于激光腔中。激光輸入腔鏡介質(zhì)膜在976nm波長處透過率T ^ 90%,在800和1600nm波長處透過率T≤0.1%，激光輸出腔鏡介質(zhì)膜在1600nm波長處透過率T≤0.2%，在800nm波長處透過率T ^ 80%。利用976nm半導(dǎo)體激光端面泵浦即可實(shí)現(xiàn)800nm倍頻連續(xù)激光輸出。也可以將激光輸入和輸出腔鏡介質(zhì)膜分別鍍在鍵合晶體的兩個相對端面上，以實(shí)現(xiàn)同樣的目的。另外，也可以同時將兩炔基質(zhì)晶體分別與激光晶體的前后端面均進(jìn)行擴(kuò)散鍵合，使其形成YAB/Er: Yb: YAB/YAB鍵合晶體，以實(shí)現(xiàn)同樣的目的。
[0020]實(shí)例4:976nm 半導(dǎo)體激光端面泵浦 Er:Yb = YAl3(BO3)/YAl3(BO3)4 (Er:Yb:YAB/YAB)鍵合晶體實(shí)現(xiàn)800nm倍頻脈沖激光輸出。
[0021]直接將被動調(diào)Q片(如Co2+:MgAl2O4, Co2+: ZnSe, Cr2+: ZnSe等)插入實(shí)例3中鍵合晶體和激光輸出腔鏡之間，利用976nm半導(dǎo)體激光端面泵浦即可實(shí)現(xiàn)SOOnm被動調(diào)Q脈沖激光輸出?；蛘邔㈡I合晶體的一個端面與被動調(diào)Q片的一個端面粘貼，再將鍵合晶體的另一個端面和被動調(diào)Q片的另一個端面分別鍍上激光輸入和輸出腔鏡介質(zhì)膜，利用976nm半導(dǎo)體激光端面泵浦也可輸出800nm被動調(diào)Q脈沖激光。
[0022]實(shí)例5:976nm 半導(dǎo)體激光端面泵浦 Er:Yb = YAl3(BO3)/YAl3(BO3)4 (Er:Yb:YAB/YAB)鍵合晶體實(shí)現(xiàn)606nm和頻連續(xù)激光輸出。
[0023]將實(shí)例3中的基質(zhì)晶體和激光晶體分別按1600和976nm波長處的I類和頻相位匹配角0=27.1° , (6=0°定向切割成5X5X3mm3和5X5Xlmm3的晶片，并將晶體端面進(jìn)行激光級拋光處理。然后將基質(zhì)晶體和激光晶體的兩個大面(5X5mm2)進(jìn)行擴(kuò)散鍵合，使其緊密結(jié)合在一起形成鍵合晶體。隨后將鍵合晶體固定在銅基座上并置于激光腔中。激光輸入腔鏡介質(zhì)膜在976nm波長處透過率T ^ 90%,在606和1600nm波長處透過率T≤0.1%，激光輸出腔鏡介質(zhì)膜在976和1600nm波長處透過率T≤0.2%，在606nm波長處透過率T≥80%。利用976nm半導(dǎo)體激光端面泵浦即可實(shí)現(xiàn)606nm和頻連續(xù)激光輸出。也可以將激光輸入和輸出腔鏡介質(zhì)膜分別鍍在鍵合晶體的相對兩個端面上，以實(shí)現(xiàn)同樣的目的。另外，也可以同時將兩炔基質(zhì)晶體分別與激光晶體的前后端面均進(jìn)行擴(kuò)散鍵合，使其形成YAB/Er:Yb:YAB/YAB鍵合晶體，以實(shí)現(xiàn)同樣的目的。
[0024]實(shí)例6:976nm 半導(dǎo)體激光端面泵浦 Er:Yb:LuA13(BO3)4/LuA13(BO3)4(Er:Yb:LuAB/LuAB)鍵合晶體實(shí)現(xiàn)1550nm連續(xù)激光輸出。
[0025]將純的LuAB基質(zhì)晶體和共摻25at.%Yb3+離子、1.3at.%Er3+離子的LuAB激光晶體分別切割成5 X 5 X 3mm3和5 X 5 X 0.6mm3的c切晶片(短邊為晶體光軸方向)，并將晶體端面進(jìn)行激光級拋光處理。然后將基質(zhì)晶體和激光晶體的兩個大面(5 X 5mm2)進(jìn)行擴(kuò)散鍵合，使其緊密結(jié)合在一起形成鍵合晶體。隨后將鍵合晶體固定在銅基座上并置于激光腔中。激光輸入腔鏡介質(zhì)膜在976nm波長處透過率T≤90%,在1.5至1.6 y m波段處透過率T≤0.1%，激光輸出腔鏡介質(zhì)膜在1.5至1.6 ii m波段處透過率T = 2.0%。利用20W的976nm半導(dǎo)體激光端面泵浦即可得到功率高于3W的1550nm連續(xù)激光輸出。也可以將激光輸入和輸出腔鏡介質(zhì)膜分別鍍在鍵合晶體的相對兩個端面上，以實(shí)現(xiàn)同樣的目的。另外，也可以同時將兩炔基質(zhì)晶體分別與激光晶體的前后端面均進(jìn)行擴(kuò)散鍵合，使其形成LuAB/Er: Yb: LuAB/LuAB鍵合晶體，以實(shí)現(xiàn)同樣的目的。
[0026]實(shí)例7:976nm 半導(dǎo)體激光端面泵浦 Er: Yb: LuAl3 (B03) 4/LuA13 (B03) 4(Er:Yb:LuAB/LuAB)鍵合晶體實(shí)現(xiàn)1550nm主動調(diào)Q脈沖激光輸出。
[0027]直 接將1.5至1.6 ii m波段的聲光調(diào)Q模塊插入實(shí)例6中鍵合晶體和激光輸出腔鏡之間，利用976nm半導(dǎo)體激光端面泵浦即可實(shí)現(xiàn)1550nm主動調(diào)Q脈沖激光輸出?；蛘邔㈡I合晶體的一 個端面與聲光調(diào)Q模塊的一個端面粘貼，再將鍵合晶體的另一個端面和聲光調(diào)Q模塊的另一個端面分別鍍上激光輸入和輸出腔鏡介質(zhì)膜，利用976nm半導(dǎo)體激光端面泵浦也可輸出1550nm主動調(diào)Q脈沖激光。
【權(quán)利要求】
1.一種基于鍵合晶體的1.5至1.6微米波段固體激光器，是由976納米附近波長的近紅外激光泵浦系統(tǒng)、鍍上介質(zhì)膜的激光輸入和輸出腔鏡以及置于輸入和輸出腔鏡間的激光增益介質(zhì)所組成，其特征在于:該激光器中的激光增益介質(zhì)為純的RAl3(BO3)4基質(zhì)晶體和鉺鐿雙摻的RAl3 (BO3) 4激光晶體通過擴(kuò)散鍵合技術(shù)結(jié)合在一起的鍵合晶體，其中R為Sc、Y、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的組合；鉺鐿雙摻的RAl3(BO3)4激光晶體中鉺離子摻雜濃度為0.5?2.0at.%，鐿離子摻雜濃度為10?30at.% ;基質(zhì)晶體可以鍵合在激光晶體的一個端面，也可以同時鍵合在激光晶體的兩個端面。
2.一種基于鍵合晶體的變頻固體激光器，其特征在于:將權(quán)利要求1所述的基質(zhì)晶體和激光晶體均按照其變頻相位匹配角進(jìn)行切割；激光輸入和輸出腔鏡鍍上適合變頻激光運(yùn)轉(zhuǎn)的介質(zhì)膜。
3.如權(quán)利要求1或2所述的固體激光器，其特征在于:將其中一面或兩面激光腔鏡介質(zhì)膜分別直接鍍在所述的鍵合晶體的一個或兩個相對端面上。
4.一種1.5至1.6微米波段及其變頻脈沖激光器，其特征在于:在權(quán)利要求1或2所述的激光器的鍵合晶體和激光輸出腔鏡之間插入1.5至1.6微米波段的調(diào)Q或鎖模元件，輸出1.5至1.6微米波段及其變頻脈沖激光。
5.如權(quán)利要求4所述的激光器，其特征在于:將所述的鍵合晶體的一個端面與所述的調(diào)Q或鎖模元件的一個端面粘貼，在鍵合晶體的另一個端面和調(diào)Q或鎖模元件的另一個端面分別鍍上激光輸入和輸出腔鏡介質(zhì)膜。
6.如權(quán)利要求5所述的激光器，其特征在于:將所述的鍵合晶體與所述的調(diào)Q或鎖模元件分開。
【文檔編號】H01S3/10GK103490275SQ201310438019
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】陳雨金, 黃藝東, 林炎富, 黃建華, 龔興紅, 羅遵度 申請人:中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所