CN100452577C - 半导体激光器泵浦的中红外固体激光器 - Google Patents

Abstract

一种半导体激光器泵浦的中红外固体激光器，在一光路上依次由半导体激光器、聚焦透镜、输入镜、激光介质、输出镜组成，其特征在于所述的激光介质是由掺铥铝酸钇(以下简称为Tm:YAP)晶体和掺铬硒化锌(以下简称为Cr:ZnSe)晶体键合在一起构成的键合晶体，所述的掺铥铝酸钇晶体和掺铬硒化锌晶体的连接界面与该激光器谐振腔的轴线方向成布儒斯特角。本发明在保持ZnSe激光器结构简单的特点的同时有效地提高了输出功率。

Description

半导体激光器泵浦的中红外固体激光器

技术领域

本发明涉及全固态激光器，特别是一种半导体激光器泵浦的中红外固体激光器。

背景技术

日益发展的环境、工程、医学、生物和化学等学科，使得1～3μm超短脉冲和金属掺杂晶体超宽带连续激光器获得了巨大的进步。金属离子掺杂的超宽脉冲中红外固体激光器越来越多的应用在气体检测、遥感、通信、眼科医学、神经外科等领域。

超宽吸收波段的掺铬硒化锌Cr:ZnSe晶体具有一些很显著的特点：高的发射截面σ_em＝1.3×10^-18cm²，可以忽略的激发态吸收，非常好的化学和机械稳定性，与蓝宝石相近的热传导系数。这些特点使得这种材料作为二极管直接泵浦的中红外激光器和放大器的增益介质有很大的潜力。Cr²⁺:ZnSe具有高的发射截面，短的辐射寿命，小的晶体分裂区域，其中心波长在红外区域，在1.8μm附近有宽的吸收带，发射带宽在2～3.4μm之间。

Cr²⁺ZnSe激光器获得激光输出，泵浦光源的选择是至关重要的。因为Cr²⁺离子的吸收峰在1.75μm附近，而目前在这一波段能够提供有效泵浦的激光器屈指可数，这些泵浦光源主要有：调谐范围在1.6～2.1μm的Co²⁺:MgF₂激光器，1.9～2.1μm的掺Tm³⁺，Ho³⁺激光器，～1.6μm的掺铒激光器，～1.6μm的NaCl:OH色心激光器，～1.6μm的拉曼频移Nd:YAG激光器，～1.6μm的拉曼光纤激光器，1.6～1.9μm的InGaAsP/InP半导体激光器。

目前半导体激光器阵列直接泵浦的Cr:ZnSe激光器面临一个显著的矛盾：直接使用半导体激光器泵浦时，国内可获得的半导体激光器波长小于1.6μm，泵浦光在ZnSe晶体中的增益系数小，因而激光输出功率比较低。而使用其它波长相对较大的激光器泵浦时，在功率提高的同时必然导致激光器整体体积的增大而丧失其部分优势。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种半导体激光器泵浦的中红外固体激光器，该激光器应具有成本较低，结构简洁的优点，有效地解决目前ZnSe激光器面临的矛盾。

本发明的技术解决方案如下：

一种半导体激光器泵浦的中红外固体激光器，在一光路上依次由半导体激光器、聚焦透镜、输入镜、激光介质、输出镜组成，其特征在于所述的激光介质是由掺铥铝酸钇(以下简称为Tm:YAP)晶体和掺铬硒化锌(以下简称为Cr:ZnSe晶体键合在一起构成的键合晶体，所述的掺铥铝酸钇晶体和掺铬硒化锌晶体的连接界面与该激光器谐振腔的轴线方向成布儒斯特角。

所述的掺铥铝酸钇晶体的输入端面镀增透膜：＜0.5％@790nm，含义是该增透膜是中心波长在790nm，反射率小于0.5％(以下相同，恕不重复)；所述的掺铬硒化锌晶体的输出端面镀增透膜：

＜0.5％@2400nm。

所述的输入镜镀膜：＜0.5％@790nm，＞99.5％@1900nm&2400nm，该膜层具有对790nm增透，反射率小于0.5％，对1900nm和2400nm波长高反，反射率大于99.5％。所述的输出镜镀高反膜：

99.5％@790nm&1900nm，95％@2400nm。

所述的键合晶体置于一半导体制冷模块中。

所述的Tm:YAP晶体和Cr:ZnSe晶体的连接面，加工成布儒斯特角，以保证Tm:YAP晶体产生的1900nm的激光充分进入Cr:ZnSe晶体里。

所述的布儒斯特角是根据布儒斯特定律确定的，光从折射率为n₁的介质射向折射率为n₂的介质时，当入射角满足：tan i_b＝n₂/n₁时，即入射角为布儒斯特角时，反射光就变为振动方向垂直于入射面的完全偏振光，而折射光仍为部分偏振光。

在输入镜上镀高反膜(99.5％@2400nm)，在输出镜上镀高反膜(95％@2400nm)，这样保证了波长2400nm的激光在输入镜和输出镜之间形成振荡。为保证2400nm波长激光在Cr:ZnSe晶体的出射，在晶体的输出端面镀增透膜(＜0.5％@2400nm)。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、可以直接使用普通波长790nm、808nm的InGaAsP/InP半导体激光器作为Cr:ZnSe晶体的泵浦源，而不必担心其波长在Cr:ZnSe晶体中增益系数低的问题。

2、将掺杂Tm²⁺的YAP晶体和掺杂Cr²⁺的ZnSe晶体通过扩散键合的方法连接在一起，实现了1900nm和2400nm激光放大，泵浦光和激光在同一个谐振腔内振荡，使得激光器结构大大简化。

3、本发明具有结构简单、成本较低、光能利用率高等优点，有效地提高了半导体激光器直接泵浦Cr:ZnSe激光器的输出功率。

附图说明

图1，本发明实施例的激光器光路图。

图2，本发明实施例的晶体连接图。

图3，本发明实施例中Tm:YAP晶体的三视图(正视、俯视、左视图)。

图4，本发明实施例中Cr:ZnSe晶体的三视图(正视、俯视、左视图)。

图5，本发明实施例中的制冷模块立体图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明实施例的激光器光路图。由图可见，本发明半导体激光器泵浦的中红外固体激光器，在一光路上依次由半导体激光器1、聚焦透镜2、平面输入镜3、激光介质4、平面输出镜5组成，其特征在于所述的激光介质4是由掺铥铝酸钇晶体和掺铬硒化锌晶体键合在一起构成的键合晶体，掺铥铝酸钇晶体和掺铬硒化锌晶体的连接界面与所述的谐振腔的轴线方向成布儒斯特角。

将两块激光晶体连接面加工成特定角度的平面，使得1900nm的泵浦光通过晶体界而时，大部分光通过折射进入Cr:ZnSe晶体中。1900nm波长在Tm:YAP晶体中的折射率为n₁＝1.9，在Cr:ZnSe晶体中的折射率为n₂＝2.4，根据布儒斯特定律入射角为tan i_b＝n₂/n₁，得到两块激光晶体的键合面与轴线方向的夹角为38.4°，ZnSe晶体输出端面角度为76.7°，激光垂直于Cr:ZnSe晶体端面出射。如图2所示。

键合后的复合激光晶体两端面和输入、输出镜面上进行镀膜处理：

1.Tm:YAP晶体输入端面镀增透膜：＜0.5％@790nm

2.Cr:ZnSe晶体输出端面镀增透膜：＜0.5％@2400nm

3.输入镜镀膜：＜0.5％@790nm，＞99.5％@1900nm&2400nm

4.输出镜镀高反膜：99.5％@790nm&1900nm，95％@2400nm

所述的键合晶体置于一半导体制冷模块中。使用半导体制冷模块对晶体进行冷却控温，代替了庞大的水冷系统：使用两块半圆形槽紫铜热沉，将晶体放置在中间的圆形槽中，热沉中打孔放置热敏电阻或热电偶对晶体温度进行监测，热沉下方通过导热硅胶粘接热电制冷片，并通过螺钉与热端的散热片固定，如图5所示。键合晶体放置在圆形槽中，上热沉6、下热沉7通过螺钉将晶体固定在中间，热电制冷片8对热沉进行制冷，热量通过散热片9传输到周围空气中，热沉中放置热电偶10对晶体温度进行监测，并通过热电制冷控制器对热电制冷片进行控制，将晶体温度控制在20℃附近。泵浦光源使用波长为790nm或808nm的InGaAsP/InP半导体激光器阵列，输出功率40W，条形光斑经过透镜2压缩后透过输入平面镜3聚焦到Tm:YAP晶体前端面，激励Tm:YAP晶体中的Tm³⁺，得到1900nm的激光输出。该1900nm的激光作为Cr:ZnSe晶体的泵浦光源，激励Cr²⁺离子，得到2400nm波长的激光输出，从Cr:ZnSe晶体输出端面垂直出射，并在输出镜5和输入镜3之间振荡放大，并可选择以1～10％比例的输出。

Claims (4)

1、一种半导体激光器泵浦的中红外固体激光器，在一光路上依次由半导体激光器(1)、聚焦透镜(2)、平面输入镜(3)、激光介质(4)、平面输出镜(5)组成，其特征在于：所述的平面输入镜(3)、激光介质(4)和平面输出镜(5)共同构成谐振腔，所述的激光介质(4)是由掺铥铝酸钇晶体和掺铬硒化锌晶体键合在一起构成的键合晶体，掺铥铝酸钇晶体和掺铬硒化锌晶体的连接界面与所述的谐振腔的轴线方向成布儒斯特角。

2、根据权利要求1所述的中红外固体激光器，其特征是所述的掺铥铝酸钇晶体的输入端面镀增透膜，其反射率R＜0.5％@790nm；所述的掺铬硒化锌晶体的输出端面镀增透膜，其反射率R＜0.5％@2400nm。

3、根据权利要求1所述的中红外固体激光器，其特征是所述的输入镜(3)镀膜，其反射率R＜0.5％@790nm，反射率R＞99.5％@1900nm&2400nm，所述的输出镜(5)镀高反膜，其反射率R＝99.5％@790nm&1900nm，反射率R＝95％@2400nm。

4、根据权利要求1所述的中红外固体激光器，其特征是所述的键合晶体置于一半导体制冷模块中。

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