CN101378172A - 一种760纳米波段固体激光器 - Google Patents

Abstract

一种760nm波段固体激光器，属于固体激光材料和器件领域。利用Er³⁺和Yb³⁺双掺的激光材料作为增益介质，通过优化材料中Er³⁺和Yb³⁺离子的浓度和材料厚度，并与适合1520nm起振、760nm输出的介质膜片构成固体激光器，同时控制材料中的热效应，激光腔中加入沿倍频1520nm激光的相位匹配方向切割的非线性光学晶体，利用976nm附近波段的红外激光泵浦输出760nm波段激光。本方法不仅能获得具有高输出功率和高光束质量的760nm波段激光输出的固体激光器，而且可以使器件更加紧凑和稳定可靠，使用更加方便。

Description

一种760纳米波段固体激光器

技术领域

本发明涉及固体激光材料和器件领域。

背景技术

760nm是氧原子A吸收带(谱带范围从758到770nm)的峰值波长，而且这个吸收带的吸收率与周围大气的温度和压力密切相关。因此，760nm波段激光可用于微量氧气探测以及恶劣环境中温度和压力的远程探测，具有重要的军事和民用价值及广阔的市场前景。

目前，获得760nm波段激光器的技术途径主要有两种：

(1)半导体激光器直接输出760nm波段激光；

(2)调谐三价过渡族金属离子激光器的输出波长获得760nm波段激光。

然而，第一种途径的半导体激光器由于输出光束质量较差，激光波长随工作温度和输出功率而变化，而且目前商品化的760nm半导体激光器的输出功率仅为10毫瓦量级，因此在许多实际应用中受到了限制。第二种途径首先需要利用807nm附近波长的半导体激光泵浦掺Nd³⁺的激光材料获得1064nm激光，再通过倍频技术获得532nm激光。最后利用532nm激光泵浦掺杂三价过渡族金属离子的激光材料，并采用双折射滤波器调谐得到760nm波段激光。这种技术虽然可以得到高输出功率(瓦级)和高光束质量的激光，但是技术途径比较复杂，设备庞大，工作环境和条件要求严格，不利于野外及军事应用。

目前，利用Er³⁺和Yb³⁺离子双掺的激光材料作为增益介质已经实现了高性能的1.5-1.6μm的激光运转。通过控制激光材料的温度可以有效地改变材料中Er³⁺离子的增益峰值波长及激光输出波长(Opt.Commun.，271(2007)142-147)，再结合特殊设计的激光腔镜，即可实现高性能的1520nm波段的激光输出。

发明内容

本发明的目的是采用Er³⁺和Yb³⁺离子双掺的激光材料作为增益介质，通过激光腔镜设计和晶体的热效应，利用腔内倍频技术获得高输出功率和高光束质量的760nm波段激光。

本发明包括如下技术方案：

1.一种760nm波段固体激光器，包括红外激光泵浦系统、激光腔、Er³⁺和Yb³⁺离子双掺激光材料和用作倍频1520nm激光的非线性光学晶体，其特征在于：该激光器采用Er³⁺和Yb³⁺离子双掺的激光材料作为增益介质并利用976nm附近波长的红外激光进行泵浦；输入介质膜片设计为在976nm波长附近高透，在760和1520nm波长处高反；输出介质膜片设计为在1520nm波长处的透过率小于该激光材料中Er³⁺其他增益波长处的透过率，在760nm波长处具有高的透过率；同时控制激光材料中的热效应，实现腔内倍频760nm波段激光输出。

2.如项1所述的固体激光器，其特征在于：所述的Er³⁺和Yb³⁺离子双掺的激光材料为Yb³⁺和Er³⁺离子双掺的YAl₃(BO₃)₄晶体或Yb³⁺和Er³⁺离子双掺的GdAl₃(BO₃)₄晶体。

3.如项1所述的固体激光器，其特征在于：将所述的激光材料的一个端面与所述的非线性光学晶体的一个端面粘贴，再将激光材料的另一个端面和非线性光学晶体的另一个端面镀上如项1所述的介质膜，利用半导体或其他类型激光泵浦输出腔内倍频760nm波段激光。

4.一种被动调Q腔内倍频脉冲760nm激光器件，其特征在于：在项1的固体激光器的激光材料和非线性光学晶体间插入1520nm波长处的饱和吸收片，利用半导体或其他类型激光泵浦输出被动调Q腔内倍频脉冲760nm激光。

5.如项4所述的激光器，其特征在于：将所述的激光材料的一个端面与所述的饱和吸收片的一个端面粘贴，再将饱和吸收片的另一端面与所述的用作倍频的非线性光学晶体的一个端面粘贴，激光材料的另一个端面和非线性光学晶体的另一个端面镀上如项1所述的介质膜，利用半导体或其他类型激光泵浦输出被动调Q腔内倍频脉冲760nm波段激光。

6.如项3或5所述的激光器，其特征在于：将其中一面或两面介质膜镀在腔镜上，再将一面镀膜或两面均没有镀膜的激光材料和其他光学元件的粘合体与腔镜构成激光器。

7.如项3或5所述的激光器，其特征在于：将所述的激光材料与其他光学元件分开。

利用本发明技术方案制造的固体激光器具有的有益效果是不仅能获得具有高输出功率和高光束质量的760nm波段激光，而且可以使器件更加紧凑和稳定可靠，使用更加方便。

具体实施方式

实例1：976nm半导体激光端面泵浦Yb³⁺和Er³⁺离子双掺的YAl₃(BO₃)₄晶体实现腔内倍频760nm激光输出。

利用熔盐法生长掺杂25at.％Yb³⁺和1.1at.％Er³⁺的YAl₃(BO₃)₄晶体。在976nm处，Yb³⁺和Er³⁺离子对垂直于光轴入射的泵浦光的吸收系数总和为43cm^-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c切片晶体的厚度为0.35mm(端面积一般为平方毫米到平方厘米)。然后将晶体端面抛光后固定在铝片上并置于激光腔中。晶体与铝片之间无需良好的热接触，在激光运转过程中也无需对晶体采取冷却措施。为了保证晶体具有一定的热效应，半导体激光采取脉冲工作方式，脉冲宽度为5ms，占空比为5％。入射镀膜腔镜在976nm波长处高透，760和1520nm波长处高反(R>99％)。出射镀膜腔镜在976nm波长处高反(R>98％)，1520nm波长处透过率为2.6％，在1540、1580和1600nm三个增益峰值波长处的透过率分别是1520nm波长处的1.2、2和2.5倍，在760nm波长处的透过率为80％。在晶体和出射镀膜腔镜间加入沿倍频1520nm激光的I类相位匹配角切割的β-BBO晶体(θ＝19.8°，

)。利用976nm半导体激光端面泵浦即可得到最高输出功率为450mW的760nm激光。也可以将介质膜分别镀在激光晶体和非线性光学晶体一个端面上，或者将激光晶体和非线性光学晶体粘贴，以实现同样的目的。

实例2：976nm半导体激光端面泵浦Yb³⁺和Er³⁺离子双掺的YAl₃(BO₃)₄晶体实现腔内倍频760nm激光输出。

利用熔盐法生长掺杂20at.％Yb³⁺和1.1at.％Er³⁺的YAl₃(BO₃)₄晶体。在976nm处，Yb³⁺和Er³⁺离子对垂直于光轴入射的泵浦光的吸收系数总和为34cm^-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c切片晶体的厚度为0.5mm(端面积一般为平方毫米到平方厘米)。然后将晶体端面抛光后固定在铝片上并置于激光腔中。晶体与铝片之间无需良好的热接触，在激光运转过程中也无需对晶体采取冷却措施。为了保证晶体具有一定的热效应，半导体激光采取脉冲工作方式，脉冲宽度为5ms，占空比为5％。入射镀膜腔镜在976nm波长处高透，760和1520nm波长处高反(R>99％)。出射镀膜腔镜在976nm波长处高反(R>98％)，1520nm波长处透过率为5.0％，在1540、1580和1600nm三个增益峰值波长处的透过率分别是1520nm波长处的1.1、1.5和2倍，在760nm波长处的透过率为85％。在晶体和出射镀膜腔镜间加入沿倍频1520nm激光的I类相位匹配角切割的β-BBO晶体(θ＝19.8°，

)。利用976nm半导体激光端面泵浦即可得到最高输出功率为300mW的760nm激光。也可以将介质膜分被镀在激光晶体和非线性光学晶体一个端面上，或者将激光晶体和非线性光学晶体粘贴，以实现同样的目的。

实例3：976nm半导体激光端面泵浦Yb³⁺和Er³⁺离子双掺的GdAl₃(BO₃)₄晶体实现腔内倍频760nm激光输出。

利用熔盐法生长掺杂20at.％Yb³⁺和1.1at.％Er³⁺的GdAl₃(BO₃)₄晶体。在976nm处，Yb³⁺和Er³⁺离子对垂直于光轴入射的泵浦光的吸收系数总和为39cm^-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c切片晶体的厚度为0.4mm(端面积一般为平方毫米到平方厘米)。然后将晶体端面抛光后固定在铝片上并置于激光腔中。晶体与铝片之间无需良好的热接触，在激光运转过程中也无需对晶体采取冷却措施。为了保证晶体具有一定的热效应，半导体激光采取脉冲工作方式，脉冲宽度为5ms，占空比为5％。入射镀膜腔镜在976nm波长处高透，760和1520nm波长处高反(R>99％)。出射镀膜腔镜在976nm波长处高反(R>98％)，1520nm波长处透过率为4.1％，在1540、1580和1600nm三个增益峰值波长处的透过率分别是1520nm波长处的1.2、2和2.5倍，在760nm波长处的透过率为85％。在晶体和出射镀膜腔镜间加入沿倍频1520nm激光的I类相位匹配角切割的β-BBO晶体(θ＝19.8°，

)。利用976nm半导体激光端面泵浦即可得到最高输出功率为350mW的760nm激光。将介质膜分被镀在激光晶体和非线性光学晶体一个端面上，或者将激光晶体和非线性光学晶体粘贴，以实现同样的目的。

实例4：976nm半导体激光端面泵浦Yb³⁺和Er³⁺离子双掺的YAl₃(BO₃)₄晶体实现被动调Q腔内倍频脉冲760nm激光输出。

直接将饱和吸收片(如Co²⁺:MgAl₂O₄，Co²⁺:ZnSe，Cr²⁺:ZnSe等)插入实例1中激光晶体和非线性光学晶体之间，利用976nm半导体激光端面泵浦即可实现760nm被动调Q脉冲激光输出。或者将激光晶体的一个端面与饱和吸收片的一个端面粘贴，再将饱和吸收片的另一端面与非线性光学晶体的一个端面粘贴，激光晶体的另一个端面和非线性光学晶体的另一个端面镀上适合976nm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976nm半导体激光端面泵浦也可输出760nm被动调Q脉冲激光。

Claims (7)

1.一种760nm波段固体激光器，包括红外激光泵浦系统、激光腔、Er³⁺和Yb³⁺离子双掺激光材料和用作倍频1520nm激光的非线性光学晶体，其特征在于：该激光器采用Er³⁺和Yb³⁺离子双掺的激光材料作为增益介质并利用976nm附近波长的红外激光进行泵浦；输入介质膜片设计为在976nm波长附近高透，在760和1520nm波长处高反；输出介质膜片设计为在1520nm波长处的透过率小于该激光材料中Er³⁺其他增益波长处的透过率，在760nm波长处具有高的透过率；同时控制激光材料中的热效应，实现腔内倍频760nm波段激光输出。

2.如权利要求1所述的固体激光器，其特征在于：将所述的Er³⁺和Yb³⁺离子双掺的激光材料为Yb³⁺和Er³⁺离子双掺的YAl₃(BO₃)₄晶体或Yb³⁺和Er³⁺离子双掺的GdAl₃(BO₃)₄晶体。

3.如权利要求1所述的固体激光器，其特征在于：将所述的激光材料的一个端面与所述的非线性光学晶体的一个端面粘贴，再将激光材料的另一个端面和非线性光学晶体的另一个端面镀上如权利要求1所述的介质膜，利用半导体或其他类型激光泵浦输出腔内倍频760nm波段激光。

4.一种被动调Q腔内倍频脉冲760nm激光器件，其特征在于：在权利要求1的固体激光器的激光材料和非线性光学晶体间插入1520nm波长处的饱和吸收片，利用半导体或其他类型激光泵浦输出被动调Q腔内倍频脉冲760nm激光。

5.如权利要求4所述的激光器，其特征在于：将所述的激光材料的一个端面与所述的饱和吸收片的一个端面粘贴，再将饱和吸收片的另一端面与所述的用作倍频的非线性光学晶体的一个端面粘贴，激光材料的另一个端面和非线性光学晶体的另一个端面镀上如权利要求1所述的介质膜，利用半导体或其他类型激光泵浦输出被动调Q腔内倍频脉冲760nm波段激光。

6.如权利要求3或5所述的激光器，其特征在于：将其中一面或两面介质膜镀在腔镜上，再将一面镀膜或两面均没有镀膜的激光材料和其他光学元件的粘合体与腔镜构成激光器。

7.如权利要求3或5所述的激光器，其特征在于：将所述的激光材料与其他光学元件分开。