CN101588009B - 一类掺杂铒、镱和铈离子的钨酸盐激光晶体及其用途 - Google Patents
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Abstract
一类掺杂铒、镱和铈离子的钨酸盐激光晶体及其用途，涉及激光晶体和器件领域。该类晶体的分子式为：RErxYbyCezRe(1-x-y-z)(WO4)2，其中x＝0.05-10mol％，y＝0.5-60mol％，z＝1-99.95mol％，且x+y+z≤1；R为K、Na、Li等碱金属元素中某一元素或若干元素的组合；Re为Sc、Y、La、Gd、Lu、Bi等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。以该类晶体为激光增益介质可以实现低阈值和高效1.5-1.6μm波段激光运转。
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。钨酸盐晶体具有较低的有效声子能量(约900cm-1)，因此在该类基质晶体中Er3+离子4I11/2→4I13/2能级间的无辐射跃迁几率较小，4I11/2能级的荧光寿命较长，从而导致较强的上转换能量损耗，使得经波长在976nm附近的InGaAs半导体激光泵浦后，布居于4I11/2能级的Er3+离子无法有效布居到激光上能级4I13/2，从而抑制了1.5-1.6μm波段激光的有效运转。目前，利用半导体激光泵浦以Er3+和Yb3+为激活和敏化离子的双掺钨酸盐激光晶体，1.5-1.6μm波段激光输出的最大斜率效率仅为1.6％。
Ce3+离子能级结构简单，只有一个基态2F5/2和一个激发态2F7/2，此二能级间距与Er3+离子4I11/2与4I13/2能级间距比较接近。因此在Er3+离子激活的钨酸盐晶体中同时掺入Ce3+离子，可以通过声子辅助能量传递Er3+(4I11/2)+Ce3+(2F5/2)→Er3+(4I13/2)+Ce3+(2F7/2)大幅度增加Er3+离子在激光上能级4I13/2的布居。因此在Er3+离子掺杂的钨酸盐晶体中同时掺入Ce3+离子将是实现低阈值和高效1.5-1.6μm波段激光输出的一种有效方法。
发明内容
本发明的目的在于制备一类同时掺入Yb3+和Ce3+离子的Er3+离子激活的钨酸盐晶体，通过控制晶体中Er3+、Yb3+和Ce3+离子的浓度，实现低阈值和高效的1.5-1.6μm波段激光运转。
本发明包括如下技术方案：
1.一类掺杂Er3+、Yb3+和Ce3+离子的钨酸盐激光晶体，该类晶体的分子式为RErxYbyCezRe(1-x-y-z)(WO4)2，其中x＝0.05-10mol％，y＝0.5-60mol％，z＝1-99.95mol％，且x+y+z≤1；R为K、Na、Li等碱金属元素中某一元素或若干元素的组合；Re为Sc、Y、La、Gd、Lu、Bi等元素中某一元素或若干元素的组合。R为Na、Li时，该系列晶体属于四方晶系，为单轴晶，空间群为I41/a，单胞参数为
α＝β＝γ＝90°；R为K时，该系列晶体属于单斜晶系，为双轴晶，空间群为C2/c，单胞参数为
α＝γ＝90；β＝130.86(15)°。
2.一种输出1.5-1.6μm波段激光的固体激光器，由泵浦系统、激光腔和以项1所述的激光晶体作为激光增益介质组成，采用发射光能被该激光晶体有效吸收的泵浦源。
3.如项2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。
4.一种输出1.5-1.6μm波段激光的可调谐激光器，在项2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。
5.一种输出1.5-1.6μm波段激光的脉冲激光器，在项2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。
6.一种输出750-800nm波段激光的倍频激光器，在项2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。
7.一种输出750-800nm波段激光的倍频脉冲激光器，在项6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4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5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6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7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：RErxYbyCezRe(1-x-y-z)(WO4)2激光晶体在空气中不潮解，具有良好的热、机械和化学稳定性；以RErxYbyCezRe(1-x-y-z)(WO4)2晶体为激光增益介质可以实现低阈值和高效1.5-1.6μm波段激光输出；Er3+离子4I13/2→4I15/2跃迁在该类晶体中还具有较宽的荧光发射带，以RErxYbyCezRe(1-x-y-z)(WO4)2晶体为激光增益介质还可实现可调谐和超短脉冲1.5-1.6μm波段激光输出。
具体实施方式
实例1：976nm半导体激光端面泵浦Er3+、Yb3+、Ce3+离子三掺NaGd(WO4)2晶体实现1588nm激光输出。
利用提拉法生长得到掺杂12.0at.％Yb3+、1.0at.％Er3+和43.0at.％Ce3+的NaGd(WO4)2晶体。然后将1.10mm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976nm波长处高透、1588nm波长处高反(R＞99％)，出射镀膜腔镜在976nm波长处高反(R＞98％)、1588nm波长处透过率为1.8％。利用976nm半导体激光端面泵浦，此激光器即可实现阈值为2W，输出斜率效率和输出功率分别达19％和2W的1588nm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2：974nm半导体激光端面泵浦Er3+、Yb3+、Ce3+离子三掺NaY(WO4)2晶体实现1540nm激光输出。
利用提拉法生长得到掺杂13.0at.％Yb3+、0.9at.％Er3+和47.0at.％Ce3+的NaY(WO4)2晶体。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974nm波长处高透、1540nm波长处高反(R＞99％)，出射镀膜腔镜在974nm波长处高反(R＞98％)、1540nm波长处透过率为3.8％。利用974nm半导体激光端面泵浦，此激光器即可实现阈值为2.1W，斜率效率和输出功率分别达16％和1.8W的1540nm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3：981nm半导体激光端面泵浦Er3+、Yb3+、Ce3+离子三掺KGd(WO4)2晶体实现1545nm的激光输出。
利用熔盐法生长得到掺杂10.0at.％Yb3+、0.8at.％Er3+和40.0at.％Ce3+的KGd(WO4)2晶体。然后将0.7mm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981nm波长处高透、1545nm波长处高反(R＞99％)，出射镀膜腔镜在981nm波长处高反(R＞98％)、1545nm波长处透过率为5.8％。利用981nm半导体激光端面泵浦，此激光器即可实现阈值为2W，斜率效率和输出功率分别达15％和1.8W的1545nm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4：974nm半导体激光端面泵浦Er3+、Yb3+、Ce3+离子三掺NaY(WO4)2晶体实现1540nm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974nm半导体激光端面泵浦即可实现1540nm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974nm红外激光端面泵浦、激光谐振并输出1540nm激光的介质膜，利用974nm半导体激光端面泵浦也可输出1540nm被动调Q脉冲激光。
实例5：976nm半导体激光端面泵浦Er3+、Yb3+、Ce3+离子三掺NaGd(WO4)2晶体实现794nm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1588nm激光的I类相位匹配角切割的β-BBO晶体(θ＝19.9°，
)。输入腔镜在976nm波长处高透，794nm和1588nm波长处高反(R＞99％)。输出腔镜在976nm波长处高反(R＞98％)，1588nm波长处高反(R＞99％)，在794nm波长处高透(T＞80％)。利用976nm半导体激光端面泵浦即可输出794nm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。
Claims (7)
1. 一类掺杂铒、镱和铈离子的钨酸盐激光晶体，其特征在于：该类晶体的分子式为RErxYbyCezRe(1-x-y-z)(WO4)2，其中x＝0.05-10mol％，y＝0.5-60mol％，z＝1-99.95mol％，且x+y+z≤1；R为K、Na、Li碱金属元素中某一元素或若干元素的组合；Re为Sc、Y、La、Gd、Lu、Bi元素中某一元素或若干元素的组合；R为Na、Li时，该系列晶体属于四方晶系，为单轴晶，空间群为I41/a，单胞参数为 
α＝β＝γ＝90°R为K时，该系列晶体属于单斜晶系，为双轴晶，空间群为C2/c，单胞参数为 
α＝γ＝90，β＝130.86(15)°。
2. 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：该激光器以权利要求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。
3. 如权利要求2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。
4. 一种输出1.5-1.6μm波段激光的可调谐激光器，其特征在于：在权利要求2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。
5. 一种输出1.5-1.6μm波段激光的脉冲激光器，其特征在于：在权利要求2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。
6. 一种输出750-800nm波段激光的倍频激光器，其特征在于：在权利要求2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。
7. 一种输出750-800nm波段激光的倍频脉冲激光器，其特征在于：在权利要求6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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Granted publication date: 20121003 |
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