CN101499612A - 一种自倍频近红外固体激光器 - Google Patents
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Abstract
一种自倍频近红外固体激光器，属于激光晶体和器件领域。以Er3+离子掺杂的非线性激光晶体作为增益介质，通过确定该非线性激光晶体在不同基波激光波长处的倍频相位匹配方向并设计相应的激光腔镜透过率，采用发射光能被该非线性激光晶体有效吸收的泵浦源，输出750到820纳米波段的自倍频近红外固体激光。本方法不仅能获得输出750到820纳米波段激光的固体激光器，而且可以使器件更加紧凑和稳定可靠，使用更加方便。
Description
技术领域
本发明涉及激光晶体和器件领域。
背景技术
750到820纳米波段范围的近红外激光可用于光谱分析、微量气体探测、医学以及环境监测等众多领域。而且，该波段激光在超冷原子物理研究、量子通讯、量子计算等高技术领域也有重要应用。
目前，获得该波段激光器的技术途径主要有以下三种：
(1)半导体激光器直接输出；
(2)染料激光器直接输出；
(3)调谐三价过渡族金属离子激光器。
然而，第一种途径的半导体激光由于输出光束质量较差，波长随工作温度和输出功率而变化，在许多实际应用中受到了限制；第二种途径的染料激光器中的染料需定时更换，工作寿命短，使用不方便；第三种途径首先需要利用807纳米附近波长的半导体激光泵浦掺Nd3+的激光材料获得1064纳米激光，再通过倍频技术获得532纳米激光，最后利用532纳米激光泵浦掺杂三价过渡族金属离子的激光材料，并采用调谐元件得到该波段的激光，该技术虽然可以得到高输出功率和高光束质量的激光，但系统比较复杂，设备庞大，工作环境和条件要求严格，不利于移动和野外应用。
目前，以Er3+掺杂的激光晶体作为增益介质已经实现了1.5-1.6微米波段的基波激光运转。利用激光晶体自身具有的非线性光学性能((即非线性激光晶体)，通过确定该晶体在不同基波激光波长处的倍频相位匹配方向并设计相应的激光腔镜透过率，可对自身基波激光进行倍频，即自倍频，采用发射光能被该非线性激光晶体有效吸收的泵浦源，实现750到820纳米波段范围的近红外固体激光输出。
发明内容
本发明的目的是采用自身具有非线性光学性能的Er3+离子掺杂的非线性激光晶体作为增益介质，通过确定该晶体在不同基波激光波长处的倍频相位匹配方向并设计相应的激光腔镜透过率，利用该类晶体的自倍频特性，获得750到820纳米波段的近红外固体激光。
本发明包括如下技术方案：
1.一种自倍频近红外固体激光器，是由泵浦系统、激光腔镜及Er3+离子掺杂的非线性激光晶体组成，其特征在于：该激光器以Er3+离子掺杂的非线性激光晶体同时作为增益基质和倍频元件，非线性激光晶体的两端面沿垂直于自倍频的相位匹配方向切割，采用发射光能被该非线性激光晶体有效吸收的泵浦源，获得1.5-1.6微米波段的基波激光运转，再利用激光晶体自身具有的非线性光学效应将该基波激光倍频，实现750到820纳米波段的固体激光输出。
2.如项1所述的激光器，其特征在于：所述的非线性激光晶体为ErxREyMzR(1-x-y-z)Al3(BO3)4或ErxREyMzR(1-x-y-z)Ca4O(BO3)3晶体，其中x＝0.5～10mol％，y＝0～50mol％，z＝0～10mol％，RE为Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb等稀土元素中某一元素或若干元素的组合，M为Cr、Ti等过渡族元素，R为Sc、Y、La、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的组合，RE和M在晶体中的作用是作为敏化剂。
3.如项1所述的激光器，其特征在于：直接在非线性激光晶体的两端面镀激光腔镜膜，构成一个没有独立输入腔镜和输出腔镜的激光器。
4.一种750到820纳米波段自倍频脉冲激光器，其特征在于：在项1的激光腔中插入1.5-1.6微米波段处的调Q或锁模元件，输出750到820纳米波段的自倍频脉冲激光。
5.如项4所述的激光器，其特征在于：将所述的非线性激光晶体的一个端面与所述的调Q或锁模元件的一个端面粘贴，在非线性激光晶体的另一个端面和调Q或锁模元件的另一个端面分别镀上输入腔镜膜和输出腔镜膜，输出750到820纳米波段的自倍频脉冲激光。
6.如项5所述的激光器，其特征在于：将所述的非线性激光晶体与调Q或锁模元件分开。
7.如项4、5或6所述的激光器，其特征在于：将所述的调Q和锁模元件同时置于激光腔中。
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750到820纳米波段的近红外固体激光，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晶体实现自倍频800nm激光输出。
将掺杂25mol％ Yb3+和1.1mol％ Er3+的YAl3(BO3)4晶体两端面沿垂直于1600nm波长处的I类倍频相位匹配角θ＝23.4°，φ＝0°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为端面积在平方毫米到平方厘米，长度为几毫米的方柱或圆柱)。然后将晶体端面抛光后置于激光腔中。输入腔镜在976nm波长处高透，800和1600nm波长处高反(R>99％)。输出腔镜在976nm波长处高反(R>98％)，1600nm波长处高反(R>99％)，在800nm波长处高透(T>80％)。利用976nm半导体激光端面泵浦即可得到800nm波长的近红外固体激光。也可以将腔镜膜直接镀在该晶体的两个端面上，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晶体实现自倍频760nm激光输出。
将掺杂15mol％ Yb3+和1.1mol％ Er3+的YAl3(BO3)4晶体两端面沿垂直于1520nm波长处的I类倍频相位匹配角θ＝24°，φ＝0°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为端面积在平方毫米到平方厘米，长度为几毫米的方柱或圆柱)。然后将晶体端面抛光后置于激光腔中。输入腔镜在976nm波长处高透，760和1520nm波长处高反(R>99％)。输出腔镜在976nm波长处高反(R>98％)，1520nm波长处透过率为4％，在760nm波长处高透(T>80％)。利用976nm半导体激光端面泵浦即可得到760nm波长的近红外固体激光。也可以将腔镜膜直接镀在该晶体的两个端面上，以实现同样的目的。
实例3：976nm脉冲半导体激光端面泵浦Yb3+和Er3+离子双掺的GdAl3(BO3)4晶体实现自倍频770nm脉冲激光输出。
将掺杂20mol％ Yb3+和1.3mol％ Er3+的GdAl3(BO3)4晶体两端面沿垂直于1540nm波长处的I类倍频相位匹配角θ＝21.7°，φ＝0°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为端面积在平方毫米到平方厘米，长度为几毫米的方柱或圆柱)。然后将晶体端面抛光后置于激光腔中。输入腔镜在976nm波长处高透，770和1540nm波长处高反(R>99％)。输出腔镜在976nm波长处高反(R>98％)，1540nm波长处透过率为2.5％，在770nm波长处高透(T>80％)。利用976nm脉冲半导体激光端面泵浦即可得到770nm波长的近红脉冲外固体激光。也可以将腔镜膜直接镀在该晶体的两个端面上，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自倍频800nm脉冲激光输出。
将被动调Q元件(如Co2+:MgAl2O4，Co2+:ZnSe，Cr2+:ZnSe等)插入实例1中非线性激光晶体和输出腔镜之间，利用976nm半导体激光端面泵浦即可实现800nm的被动调Q脉冲激光输出。或者将非线性激光晶体的一个端面与调Q元件的一个端面粘贴，再将非线性激光晶体的另一个端面和调Q元件的另一个端面镀上适合976nm红外激光端面泵浦、激光谐振并输出自倍频脉冲激光的介质膜，利用976nm半导体激光端面泵浦也可输出800nm被动调Q脉冲激光。
实例5：976nm半导体激光端面泵浦Yb3+和Er3+离子双掺的YAl3(BO3)4晶体实现主动调Q自倍频800nm脉冲激光输出。
将主动调Q元件(如泡克耳斯盒，克尔盒，熔融石英声光Q开关等)插入实例1中非线性激光晶体和输出腔镜之间，利用976nm半导体激光端面泵浦即可实现800nm的主动调Q脉冲激光输出。或者将非线性激光晶体的一个端面与调Q元件的一个端面粘贴，再将非线性激光晶体的另一个端面和调Q元件的另一个端面镀上适合976nm红外激光端面泵浦、激光谐振并输出自倍频脉冲激光的介质膜，利用976nm半导体激光端面泵浦也可输出800nm主动调Q脉冲激光。
实例6：1480nm半导体激光端面泵浦Er3+离子单掺的YAl3(BO3)4晶体实现自倍频800nm激光输出。
将掺杂2.0mol％ Er3+的YAl3(BO3)4晶体两端面沿垂直于1600nm波长处的I类倍频相位匹配角θ＝23.4°，φ＝0°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为端面积在平方毫米到平方厘米，长度为几毫米到几厘米之间的方柱或圆柱)。然后将晶体端面抛光后置于激光腔中。输入腔镜在1480nm波长处高透，800和1600nm波长处高反(R>99％)。输出腔镜在1480nm波长处高反(R>98％)，1600nm波长处高反(R>99％)，在800nm波长处高透(T>80％)。利用1480nm半导体激光端面泵浦即可得到800nm波长的近红外固体激光。也可以将腔镜膜直接镀在该晶体的两个端面上，以实现同样的目的。
Claims (7)
1.一种自倍频近红外固体激光器，是由泵浦系统、激光腔镜及Er3+离子掺杂的非线性激光晶体组成，其特征在于：该激光器以Er3+离子掺杂的非线性激光晶体同时作为增益基质和倍频元件，非线性激光晶体的两端面沿垂直于自倍频的相位匹配方向切割，采用发射光能被该非线性激光晶体有效吸收的泵浦源，获得1.5-1.6微米波段的基波激光运转，再利用激光晶体自身具有的非线性光学效应将该基波激光倍频，实现750到820纳米波段的固体激光输出。
2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述的非线性激光晶体为ErxREyMzR(1-x-y-z)Al3(BO3)4或ErxREyMzR(1-x-y-z)Ca4O(BO3)3晶体，其中x＝0.5～10mol％，y＝0～50mol％，z＝0～10mol％，RE为Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb等稀土元素中某一元素或若干元素的组合，M为Cr、Ti等过渡族元素，R为Sc、Y、La、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的组合，RE和M作为敏化剂。
3.如权利要求1所述的激光器，其特征在于：直接在所述的非线性激光晶体的两端面镀激光腔镜膜，构成一个没有独立输入腔镜和输出腔镜的激光器。
4.一种750到820纳米波段自倍频脉冲激光器，其特征在于：在权利要求1的激光腔中插入1.5-1.6微米波段处的调Q或锁模元件，输出750到820纳米波段的自倍频脉冲激光。
5.如权利要求4所述的激光器，其特征在于：将所述的非线性激光晶体的一个端面与所述的调Q或锁模元件的一个端面粘贴，在非线性激光晶体的另一个端面和调Q或锁模元件的另一个端面分别镀上输入腔镜膜和输出腔镜膜，输出750到820纳米波段的自倍频脉冲激光。
6.如权利要求5所述的激光器，其特征在于：将所述的非线性激光晶体与调Q或锁模元件分开。
7.如权利要求4、5或6所述的激光器，其特征在于：将所述的调Q和锁模元件同时置于激光腔中。
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