CN101165978A - 以铒和镱离子双掺硼铝酸盐晶体为增益介质的1.5-1.6μm波段激光器 - Google Patents
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Abstract
以铒和镱离子双掺硼铝酸盐晶体为增益介质的1.5－1.6μm波段激光器，属于激光晶体和器件领域。该激光器采用的激光晶体为ErxYbyR(1－x－y)Al3(BO3)4晶体，其中x＝0.05－5.00mol％，y＝1.0－40.0mol％，R为Sc、Y、La、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的组合；该激光器采用0.93－1.00μm波段的红外光进行泵浦，可以同时实现高效(斜率效率高于20％)和高功率(激光输出功率高于1.5W)的1.5－1.6μm激光输出。
Description
技术领域
本发明涉及激光晶体和器件领域。
背景技术
铒激光器的1.5-1.6μm输出波段处于光纤通信窗口和大气传输窗口，而且该波段激光对人眼安全，因此被广泛应用在国防和民用领域。由于Er3+离子在InGaAs半导体激光器输出波段0.97μm附近的吸收很弱，为了提高半导体激光的泵浦效率，通常将在0.97μm附近波段具有高吸收截面的Yb3+离子作为敏化离子与Er3+离子双掺到增益介质中。为了增加从Yb3+到Er3+离子的正向能量传递速率，减小反向能量传递速率和Er3+离子的上转换过程，实现Er3+离子4I13/2激光上能级粒子的高效布居反转，增益介质必须具有较高的声子能量。而高的声子能量将导致在激光运转过程中产生更多的热量。因此，为了减小热效应对激光性能的影响以及避免在高泵浦功率下介质发生损伤，增益介质还需要有良好的导热和机械性能。目前，被广泛研究的输出1.5-1.6μm激光的增益介质主要是具有高声子能量的磷酸盐玻璃(声子能量大约为1300cm-1)和硼酸钙氧盐(YCa4O(BO3)3和GdCa4O(BO3)3)晶体(声子能量大约为1400cm-1)。但由于这些材料的热导率较低(磷酸盐玻璃为1.2Wm-1K-1，硼酸钙氧盐晶体为2.65Wm-1K-1)，还未能在高斜率效率运转的同时实现高功率1.5-1.6μm激光输出。例如，以Er3+和Yb3+离子双掺的YCa4O(BO3)3晶体为增益介质的激光器虽然其斜率效率高达26.8％，但是连续激光的输出功率仅为225mW；以Er3+和Yb3+离子双掺的LaSc3(BO3)4晶体为增益介质的激光器虽然其准连续激光输出功率达到1.1W，但是其斜率效率仅为4.6％；Er3+和Yb3+离子双掺磷酸盐玻璃材料的斜率效率在15-40％之间，最大输出功率一般不超过250mW。另外，虽然Er3+和Yb3+离子双掺YAl3(BO3)4晶体的生长和光谱已有报道(Materials Research Bulletin，39(9)(2004)1329)，但其仅限于对该晶体材料红外和上转换可见光谱初步的简单测量，并未评估该基质晶体中Er3+和Yb3+离子的光谱性能和Yb3+到Er3+离子的能量传递效果，该文没有提及，也无法从该文推断该材料具有同时实现高效和高功率1.5-1.6μm激光输出的潜在可能。
发明内容
本发明的目的是采用具有高声子能量和高热导率的晶体作为基质材料，通过控制晶体中Er3+和Yb3+离子的浓度，同时实现高效和高功率的1.5-1.6μm激光输出。
实现本发明的目的可采用如下技术方案：采用具有高声子能量和高热导率的ErxYbyR(1-x-y)Al3(BO3)4晶体作为激光增益介质，其中x＝0.05-5.00mol％，y＝1.0-40.0mol％，R为Sc、Y、La、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的组合。根据不同晶体中Yb3+到Er3+离子的能量传递速率、Yb3+和Er3+离子在晶体中的相关光谱参数以及激光器件中增益介质的形态，确定合适的Yb3+和Er3+离子在晶体中的掺杂浓度。对上述晶体按器件要求切割并对两通光面进行抛光处理后，将其置于相应的镀膜片构成的激光腔中，或将镀膜片直接镀在晶体的两通光面上，利用0.97μm附近波段(0.93-1.00μm)的红外激光泵浦，即可构成能同时实现高效(斜率效率高于20％)和高功率(激光输出功率高于1.5W)的1.5-1.6μm激光输出的激光器。
实施本发明技术方案具有的有益效果是：目前，以Er3+和Yb3+离子双掺的YCa4O(BO3)3晶体为增益介质的激光器虽然其斜率效率高达26.8％，但是连续激光的输出功率仅为225mW；以Er3+和Yb3+离子双掺的LaSc3(BO3)4晶体为增益介质的激光器虽然其准连续激光输出功率达到1.1W，但是其斜率效率仅为4.6％；Er3+和Yb3+离子双掺磷酸盐玻璃材料的斜率效率在15-40％之间，最大输出功率一般不超过250mW。而利用RAl3(BO3)4基质晶体具有的高声子能量(约1400cm-1)和高热导率(大于4.5Wm-1K-1)的特性，通过Yb3+到Er3+离子的正向能量传递，实现Er3+离子4I13/2激光上能级粒子的高效布居反转，并且减小热效应对激光性能的影响以及介质在高泵浦功率下发生损伤的可能性，可以同时实现高效(斜率效率高于20％)和高功率(激光输出功率高于1.5W)的1.5-1.6μm激光输出。
具体实施方式
实例1：0.97μm半导体激光泵浦Yb3+和Er3+离子激活的YAl3(BO3)4晶体实现1.55μm激光输出。
利用熔盐法生长掺杂25mol％Yb3+和1.1mol％Er3+离子的YAl3(BO3)4晶体。在0.97μm处，Yb3+和Er3+离子对沿光轴入射的泵浦光的吸收系数为26cm-1。根据晶体需对入射泵浦光功率单程吸收80％左右的原则，确定晶体的厚度为0.6mm(端面积一般在平方毫米到平方厘米)。然后将晶体端面抛光后置于激光腔中，入射镀膜腔镜在0.97μm波长处高透、1.55μm波长处高反(R＞99％)，出射镀膜腔镜在0.97μm波长处高反(R＞98％)、1.55μm波长处透过率为1.5％。利用0.97μm半导体激光端面泵浦，此激光器即可输出斜率效率高于21％，输出功率高于2W的1.55μm激光。将其中一面或两面介质膜镀在晶体通光面上亦可构成激光器件，并实现同样的目的。
实例2：0.97μm半导体激光泵浦Yb3+和Er3+离子激活的YAl3(BO3)4晶体实现1.6μm激光输出。
利用熔盐法生长掺杂20mol％Yb3+和1.1mol％Er3+离子的YAl3(BO3)4晶体。在0.97μm处，Yb3+和Er3+离子对沿光轴入射的泵浦光的吸收系数为21cm-1。根据晶体需对入射泵浦光功率单程吸收80％左右的原则，确定晶体的厚度为0.75mm(端面积一般在平方毫米到平方厘米)。然后将晶体端面抛光后置于激光腔中，入射镀膜腔镜在0.97μm波长处高透、1.6μm波长处高反(R＞99％)，出射镀膜腔镜在0.97μm波长处高反(R＞98％)、1.6μm波长处透过率为0.7％。利用0.97μm半导体激光端面泵浦，此激光器即可输出斜率效率高于19％，输出功率高于1.8W的1.6μm激光。将其中一面或两面介质膜镀在晶体通光面上亦可构成激光器件，并实现同样的目的。
实例3：0.976μm半导体激光泵浦Yb3+和Er3+离子激活的GdAl3(BO3)4晶体实现1.55μm激光输出。
利用熔盐法生长掺杂30mol％Yb3+和1.0mol％Er3+离子的GdAl3(BO3)4晶体。在0.976μm处，Yb3+和Er3+离子对沿光轴入射的泵浦光的吸收系数为42cm-1。根据晶体需对入射泵浦光功率单程吸收80％左右的原则，确定晶体的厚度为0.38mm(端面积一般在平方毫米到平方厘米)。然后将晶体端面抛光后置于激光腔中，入射镀膜腔镜在0.976μm波长处高透、1.55μm波长处高反(R＞99％)，出射镀膜腔镜在0.976μm波长处高反(R＞98％)、1.55μm波长处透过率为1.5％。利用0.976μm半导体激光端面泵浦，此激光器即可输出斜率效率高于24％，输出功率高于2.5W的1.55μm激光。将其中一面或两面介质膜镀在晶体通光面上亦可构成激光器件，并实现同样的目的。
实例4：0.97μm半导体激光泵浦Yb3+和Er3+离子激活的YAl3(BO3)4晶体实现1.55μm被动调Q脉冲激光输出。
直接将调Q片(如Co2+:MgAl2O4，Co2+:ZnSe或Cr2+:ZnSe等)插入实例1中晶体和输出腔镜之间，利用0.97μm半导体激光端面泵浦即可实现1.55μm被动调Q脉冲激光输出。或者将晶体的一个端面与调Q片的一个端面粘贴，再将晶体的另一个端面和调Q片的另一个端面镀上适合0.97μm红外激光端面泵浦、激光谐振并输出脉冲激光的介质膜，利用0.97μm半导体激光端面泵浦也可输出1.55μm被动调Q脉冲激光。
Claims (4)
1.以铒和镱离子双掺硼铝酸盐晶体为增益介质的1.5-1.6μm波段激光器，其特征在于：该激光器采用的激光晶体为ErxYbyR(1-x-y)Al3(BO3)4晶体，其中x＝0.05-5.00mol％，y＝1.0-40.0mol％，R为Sc、Y、La、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的组合；该激光器采用0.93-1.00μm波段的红外光进行泵浦。
2.一种以铒和镱离子双掺硼铝酸盐晶体为增益介质的1.5-1.6μm波段激光器，其特征在于：该激光器采用的激光晶体为ErxYbyR(1-x-y)Al3(BO3)4晶体，其中x＝0.05-5.00mol％，y＝1.0-40.0mol％，R为Sc、Y、La、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的组合；该激光器采用0.93-1.00μm波段的红外光进行泵浦；直接在激光晶体的两端面镀膜，构成一个没有入射腔镜片和出射腔镜片的激光器。
3.一种以铒和镱离子双掺输出1.5-1.6μm激光的被动调Q激光器，其特征在于：该激光器采用的激光晶体为ErxYbyR(1-x-y)Al3(BO3)4晶体，其中x＝0.05-5.00mol％，y＝1.0-40.0mol％，R为Sc、Y、La、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的组合；将调Q片置于激光晶体和输出腔镜之间，利用0.97μm附近波段的红外激光泵浦输出被动调Q脉冲激光。
4.一种以铒和镱离子双掺输出1.5-1.6μm激光的被动调Q激光器，其特征在于：该激光器采用的激光晶体为ErxYbyR(1-x-y)Al3(BO3)4晶体，其中x＝0.05-5.00mol％，y＝1.0-40.0mol％，R为Sc、Y、La、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的组合；将激光晶体的一个端面与调Q片的一个端面粘贴，再将激光晶体的另一个端面和调Q片的另一个端面镀上适合0.97μm附近波段的红外激光端面泵浦、激光谐振并输出脉冲激光的介质膜，利用0.97μm附近波段的红外激光泵浦输出被动调Q脉冲激光。
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