CN101545137A - 一类铒离子激活硼酸盐激光晶体及其制备方法与用途 - Google Patents
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Abstract
一类可作为固体激光增益介质的以Er3+为激活离子的硼酸盐晶体，涉及激光晶体和器件领域。该类晶体的分子式为：ErxRyRe(2－x－y)M3(BO3)4，其中x＝0.05－10mol％，y＝0－60mol％，R为稀土元素中某一元素或若干元素的组合，Re为Sc、Y、La、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的组合，M为碱土金属元素中某一元素或若干元素的组合。该类晶体在空气中不潮解，具有良好的热、机械和化学稳定性。可用提拉法生长、制备成本较低。以该类晶体为增益介质可以实现1.5－1.6μm波段的激光输出。
Description
技术领域
本发明涉及激光晶体和器件领域。
背景技术
1.5-1.6μm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1.5-1.6μm波段激光器被广泛应用于国防和民用领域。此外，其750-800nm波段的倍频激光还可用于光谱分析、微量气体探测、医学以及环境监测等众多领域。目前，获得1.5-1.6μm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)利用非线性光学技术将1.06μm波段的Nd3+固体激光转换到1.5-1.6μm波段；
(3)半导体泵浦掺Er3+离子的固体材料实现1.5-1.6μm波段激光输出。其中，第一种途径的半导体激光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，在许多实际应用中受到了限制；第二种途径是将常见的1.06μm波段激光经过频率转换间接获得1.5-1.6μm波段激光，整个激光器系统结构复杂，稳定性和可靠性较差且成本较高；第三种途径是通过Er3+离子4I13/2→4I15/2能级跃迁实现固体激光输出，有望同时实现高光束质量和稳定可靠的1.5-1.6μm波段的激光运转。目前实现此波段激光输出且运转效率和输出功率均较高的的基质晶体材料主要有：LaSc3(BO3)4、硼酸钙氧盐和硼铝酸盐等晶体。这些硼酸盐晶体物化性能稳定，制备成本低廉，因而受到广泛的关注。
发明内容
本发明的目的在于制备一类可作为固体激光增益介质的以Er3+为激活离子的硼酸盐晶体，通过控制晶体中Er3+离子和其它敏化离子的浓度，实现1.5-1.6μm波段激光运转。
本发明包括如下技术方案：
1.一类Er3+离子激活的硼酸盐激光晶体，该类晶体的分子式为ErxRyRe(2-x-y)M3(BO3)4，其中x＝0.05-10mol％，y＝0-60mol％，R为Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb稀土元素中某一元素或若干元素的组合，Re为Sc、Y、La、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的组合，M为Sr、Ca、Ba等碱土金属元素中某一元素或若干元素的组合，R为敏化剂，该类晶体属于正交晶系，为双轴晶，空间群为Pnma，该类晶体的单胞参数为
α＝β＝γ＝90。
2.如项1所述晶体的制备方法，所述晶体采用提拉法进行生长，其制备工艺如下：采用符合ErxRyRe(2-x-y)M3(BO3)4摩尔比的MCO3、Er2O3、R2O3、Re2O3和过量1-5mol％的H3BO3为原料，使其固相反应充分，然后将反应后的产物置于单晶提拉炉中进行晶体生长，拉速为0.5-3.0mm/h，转速为10-30rpm，纵向的固液界面温度差为10-30℃，最后经退火完成生长过程。
3.一种输出1.5-1.6μm波段激光的固体激光器，由泵浦系统、激光腔和激光增益介质组成，该激光器以项1所述的激光晶体作为增益介质，采用发射光能被该激光晶体有效吸收的泵浦源。
4.如项3所述的激光器，直接在激光晶体的两端面镀膜，构成一台没有入射腔镜和出射腔镜的激光器。
5.一种输出1.5-1.6μm波段激光的可调谐激光器，在项3所述固体激光器的激光腔中插入调谐元件，获得1.5-1.6μm波段的可调谐激光运转。
6.一种输出1.5-1.6μm波段激光的脉冲激光器，在项3所述固体激光器的激光腔中插入调Q或锁模元件，获得1.5-1.6μm波段的脉冲激光运转。
7.一种输出750-800nm波段激光的倍频激光器，在项3所述固体激光器的激光腔中插入非线性光学晶体，获得750-800nm波段的倍频激光运转。
8.一种输出750-800nm波段激光的倍频脉冲激光器，在项7所述倍频激光器的激光晶体与非线性光学晶体之间插入调Q或锁模元件，实现750—800nm波段的倍频脉冲激光输出。
前述项5所述的可调谐激光器，可将输入腔镜膜和输出腔镜膜直接镀在激光晶体的泵浦端面和调谐元件的激光输出端面，构成没有入射腔镜和出射腔镜的激光器。也可将激光晶体和调谐元件粘贴在一起。
前述项6所述的脉冲激光器，可将输入腔镜膜和输出腔镜膜直接镀在激光晶体的泵浦端面和调Q或锁模元件的激光输出端面，构成没有入射腔镜和出射腔镜的激光器。也可将激光晶体和调Q或锁模元件粘贴在一起。
前述项7所述的倍频激光器，可将输入腔镜膜和输出腔镜膜直接镀在激光晶体的泵浦端面和非线性光学晶体的激光输出端面，构成没有入射腔镜和出射腔镜的激光器。也可将激光晶体和非线性光学晶体粘贴在一起。
前述项8所述的倍频脉冲激光器，可将输入腔镜膜和输出腔镜膜直接镀在激光晶体的泵浦端面和非线性光学晶体的激光输出端面，构成没有入射腔镜和出射腔镜的激光器。也可将激光晶体，调Q或锁模元件，非线性光学晶体三者粘贴或部分粘贴在一起。
实施本发明技术方案具有的有益效果是：ErxRyRe(2-x-y)M3(BO3)4激光晶体在空气中不潮解、可用提拉法生长、制备成本较低，生长的晶体具有良好的热、机械和化学稳定性；以ErxRyRe(2-x-y)M3(BO3)4晶体为增益介质可以实现1.5-1.6μm波段的激光输出；Er3+离子在该类晶体中还具有较宽的发射带，因此以ErxRyRe(2-x-y)M3(BO3)4晶体为增益介质还可实现可调谐和超短脉冲激光输出。
具体实施方式
实例1：970nm半导体激光端面泵浦采用提拉法生长的Er3+/Yb3+双掺Y2Sr3(BO3)4晶体实现1567nm激光输出。
称取1.30g的Er2O3、21.48g的Yb2O3、63.86g的Y2O3、150.89g的SrCO3和86.80g的H3BO3，将这五种原料一起置于玛瑙研钵中研磨混合均匀，用油压机以2吨/cm2的压强压成块体，分别在500℃和1000℃各烧20小时，然后再把烧结的原料取出来研磨、压片、烧结，这样反复操作3次以使原料固相反应充分，然后将反应后的产物转入铱坩埚中，置入氮气气氛保护下的单晶提拉炉中进行晶体生长。生长时先将固相反应物升温熔化，熔化温度为1315℃，在高出熔化温度30℃处恒温2小时，缓慢降温至熔化温度以上5℃，引入籽晶。经引种、放肩、等径生长，拉速为1.5-2.0mm/h，转速为10-20rpm，纵向的固液界面温度差为10-30℃，最后退火完成生长过程。生长得到尺寸大于φ20mm×40mm的Er0.02Yb0.32Y1.66Sr3(BO3)4优质透明单晶。然后将1.6mm厚的晶体(端面积一般在平方毫米到平方厘米)端面抛光后置于激光腔中，入射镀膜腔镜在970nm波长处高透、1567nm波长处高反(R>99％)，出射镀膜腔镜在970nm波长处高反(R>98％)、1567nm波长处透过率为1.5％。利用970nm半导体激光端面泵浦，此激光器即可输出斜率效率达16％，输出功率达760mW的1567nm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2：970nm半导体激光端面泵浦采用提拉法生长的Er3+/Yb3+双掺Gd2Sr3(BO3)4晶体实现1551nm激光输出。
称取1.93g的Er2O3、26.50g的Yb2O3、95.67g的Gd2O3、148.90g的SrCO3和85.65g的H3BO3，将这五种原料一起置于玛瑙研钵中研磨混合均匀，用油压机以2.5吨/cm2的压强压成块体，分别在500℃和1000℃各烧结20小时，然后再把烧结的原料取出来研磨、压片、烧结，这样反复操作3次以使原料固相反应充分，然后将反应后的产物转入铱坩埚中，置入氩气气氛保护下的单晶提拉炉中进行晶体生长。生长时先将固相反应物升温熔化，熔化温度为1450℃，在高出熔化温度30℃处恒温2小时，缓慢降温至熔化温度以上5℃，引入籽晶。经引种、放肩、等径生长，拉速为1.0-3.0mm/h，转速为10-30rpm，纵向的固液界面温度差为10-30℃，最后退火完成生长过程。生长得到尺寸大于φ20mm×50mm的Er0.03Yb0.40Gd1.57Sr3(BO3)4优质透明单晶。然后将1.0mm厚的晶体(端面积一般在平方毫米到平方厘米)端面抛光后置于激光腔中，入射镀膜腔镜在970nm波长处高透、1551nm波长处高反(R>99％)，出射镀膜腔镜在970nm波长处高反(R>98％)、1551nm波长处透过率为3.5％。利用970nm半导体激光端面泵浦，此激光器即可输出斜率效率达13％，输出功率达400mW的1551nm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3：970nm半导体激光端面泵浦采用提拉法生长的Er3+/Yb3+双掺Y2Ca3(BO3)4晶体实现1564nm激光输出。
称取1.30g的Er2O3、33.57g的Yb2O3、56.94g的Y2O3、102.30g的CaCO3和86.80g的H3BO3，将这五种原料一起置于玛瑙研钵中研磨混合均匀，用油压机以3吨/cm2的压强压成块体，分别在500℃和1000℃各烧结20小时，然后再把烧结的原料取出来研磨、压片、烧结，这样反复操作3次以使原料固相反应充分，然后将反应后的产物转入铱坩埚中，置入氮气气氛保护下的单晶提拉炉中进行晶体生长。生长时先将固相反应物升温熔化，熔化温度为1350℃，在高出熔化温度30℃处恒温2小时，缓慢降温至熔化温度以上5℃，引入籽晶。经引种、放肩、等径生长，拉速为0.5-2.0mm/h，转速为10-30rpm，纵向的固液界面温度差为10-30℃，最后退火完成生长过程。生长得到尺寸大于φ20mm×35mm的Er0.02Yb0.50Y1.48Ca3(BO3)4优质透明单晶。然后将0.82mm厚的晶体(端面积一般在平方毫米到平方厘米)端面抛光后置于激光腔中，入射镀膜腔镜在970nm波长处高透、1564nm波长处高反(R>99％)，出射镀膜腔镜在970nm波长处高反(R>98％)、1564nm波长处透过率为1％。利用970nm半导体激光端面泵浦，此激光器即可输出斜率效率达15％，输出功率达700mW的1564nm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4：970nm半导体激光端面泵浦Er3+/Yb3+双掺Y2Sr3(BO3)4晶体实现1.5-1.6μm波段可调谐激光输出。
将调谐元件(如色散棱镜和双折射滤波器等)插入实例1中激光晶体和输出腔镜之间，利用970nm半导体激光端面泵浦即可实现1.5-1.6μm波段可调谐激光输出。
实例5：970nm半导体激光端面泵浦Er3+/Yb3+双掺Gd2Sr3(BO3)4晶体实现1551nm被动调Q脉冲激光输出。
将被动调Q元件(如Co2+:MgAl2O4，Co2+:ZnSe等)插入实例2中激光晶体和输出腔镜之间，利用970nm半导体激光端面泵浦即可实现1551nm被动调Q脉冲激光输出。或者将激光晶体的一个端面与调Q元件的一个端面粘贴，再将激光晶体和调Q元件的另一个端面镀上适合970nm红外激光端面泵浦、激光谐振并输出1551nm激光的介质膜，利用970nm半导体激光端面泵浦也可输出1551nm被动调Q脉冲激光。
实例6：970nm半导体激光端面泵浦Er3+/Yb3+双掺Y2Sr3(BO3)4晶体实现783.5nm的倍频激光输出。
在实例1中激光晶体和出射镀膜腔镜间加入沿倍频1567nm激光的I类相位匹配角切割的β-BBO晶体(θ＝19.8°，
)。输入腔镜在970nm波长处高透，783.5nm和1567nm波长处高反(R>99％)。输出腔镜在970nm波长处高反(R>98％)，1567nm波长处高反(R>99％)，在783.5nm波长处高透(T>80％)。利用970nm半导体激光端面泵浦即可输出783.5nm的倍频激光。也可以将激光晶体的一个端面与β-BBO晶体的一个端面粘贴，输入腔镜膜和输出腔镜膜直接镀在激光晶体和β-BBO晶体的另一个端面上，以实现同样的目的。
实例7：970nm半导体激光端面泵浦Er3+/Yb3+双掺Y2Sr3(BO3)4晶体实现783.5nm的倍频调Q脉冲激光输出。
将调Q元件(如Co2+:MgAl2O4，Co2+:ZnSe等)插入实例6中的激光晶体和β-BBO晶体之间，利用970nm半导体激光端面泵浦即可输出783.5nm的倍频调Q脉冲激光。或者将激光晶体的一个端面与调Q元件的一个端面粘贴，调Q元件的另一个端面与β-BBO晶体的一个端面粘贴，在激光晶体和β-BBO晶体的另一个端面分别镀上输入和输出腔镜膜，以实现同样的目的，其中输入腔镜膜在970nm波长处高透，783.5nm和1567nm波长处高反(R>99％)，输出腔镜在970nm波长处高反(R>98％)，1567nm波长处高反(R>99％)，在783.5nm波长处高透(T>80％)。
Claims (8)
1.一类Er3+离子激活的硼酸盐激光晶体，其特征在于：该类晶体的分子式为ErxRyRe(2-x-y)M3(BO3)4，其中x＝0.05-10mol％，y＝0-60mol％，R为Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb稀土元素中某一元素或若干元素的组合，Re为Sc、Y、La、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的组合，M为Sr、Ca、Ba等碱土金属元素中某一元素或若干元素的组合，R为敏化剂，该类晶体属于正交晶系，为双轴晶，空间群为Pnma，该类晶体的单胞参数为
α＝β＝γ＝90。
2.如项1所述晶体的制备方法，其特征在于：所述晶体采用提拉法进行生长，其制备工艺如下：采用符合ErxRyRe(2-x-y)M3(BO3)4摩尔比的MCO3、Er2O3、R2O3、Re2O3和过量1-5mol％的H3BO3为原料，使其固相反应充分，然后将反应后的产物置于单晶提拉炉中进行晶体生长，拉速为0.5-3.0mm/h，转速为10-30rpm，纵向的固液界面温度差为10-30℃，最后经退火完成生长过程。
3.一种输出1.5-1.6μm波段激光的固体激光器，由泵浦系统、激光腔和激光增益介质组成，其特征在于：该激光器以项1所述的激光晶体作为增益介质，采用发射光能被该激光晶体有效吸收的泵浦源。
4.如项3所述的激光器，其特征在于：直接在激光晶体的两端面镀膜，构成一台没有入射腔镜和出射腔镜的激光器。
5.一种输出1.5-1.6μm波段激光的可调谐激光器，其特征在于：在项3所述固体激光器的激光腔中插入调谐元件，获得1.5-1.6μm波段的可调谐激光运转。
6.一种输出1.5-1.6μm波段激光的脉冲激光器，其特征在于：在项3所述固体激光器的激光腔中插入调Q或锁模元件，获得1.5-1.6μm波段的脉冲激光运转。
7.一种输出750-800nm波段激光的倍频激光器，其特征在于：在项3所述固体激光器的激光腔中插入非线性光学晶体，获得750-800nm波段的倍频激光运转。
8.一种输出750-800nm波段激光的倍频脉冲激光器，其特征在于：在项7所述倍频激光器的激光晶体与非线性光学晶体之间插入调Q或锁模元件，实现750—800nm波段的倍频脉冲激光输出。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20090930 |