CN102157898A - 基于掺铒铌酸锂多孔材料的上转换绿光随机激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于掺铒铌酸锂多孔材料的上转换绿光随机激光器。其特征在于其结构包括有：泵浦光源、准直透镜、聚焦透镜、斩波器、激光增益介质，其泵浦光源为波长980nm的红外激光器；其激光增益介质为掺铒铌酸锂多孔材料，利用其上转换特性及光子局域化特性可将980nm的激发光转化为绿光随机激光输出。本发明克服了现有光泵浦随机激光器发光波长无法覆盖至绿光波段以及使用成本偏高的问题，具有能够发射上转换绿光随机激光、使用成本低的优点。

Description

基于掺铒铌酸锂多孔材料的上转换绿光随机激光器

技术领域

本发明涉及光学激光器领域，具体涉及一种基于掺铒铌酸锂多孔材料的上转换绿光随机激光器及使用其产生随机激光的方法。

背景技术

1967年，俄罗斯的学者Letokhov首先提出在随机增益介质中可能存在随机激光现象。1994年，美国学者用激光束泵浦掺有TiO₂微粒的染料溶液，验证了这一说法。1999年，H.Cao等人用355nm Nd:YAG激光器作为泵浦源，泵浦ZnO薄膜观测到了谱线宽度很窄的激光辐射。从此，随机激光器成为了国际激光界的热门研究领域。与传统激光器不同，随机激光器不需要常规谐振腔，其谐振腔由无序散射介质中散射体对光的多次散射形成，所以，其尺寸可以缩小到毫米甚至更小量级。因此，这种激光器在微纳光子学器件、激光涂料、激光显示、生物组织探测等众多重要领域具有巨大的潜在应用前景。

目前为止，研究者们关于这种随机激光器的制备及研究主要集中在红外和紫外波段，但是对于人眼可见波段随机激光器的研制还不是很多。即便是波长可调液晶随机激光器参见中国专利申请CN201010187489.X，由于其染料增益介质发光波段的限制，也使其无法达到绿光波段的随机激光发射。因此，仅有的极少数光泵浦可见光波段随机激光器也只是在黄色和蓝色光区域研制成功，而对绿光波段随机激光器的研制工作未见报道。而考虑到无论在微纳光子学器件、激光显示和光学探测等众多技术领域中绿光都具有极其重要的作用，所以绿光随机激光器的研制工作非常重要。

此外，目前所研制出的光抽运随机激光器绝大多数都是利用纳秒或皮秒激光器泵浦增益介质从而产生比泵浦光波长更长的随机激光辐射输出(参见中国专利申请：CN201010187489.X及H.Cao等人的工作)。虽然随机激光器中激光增益介质的制备成本较低，但是纳秒或皮秒激光器的造价一般来说比较高，通常为几十万至上百万人民币，这就导致随机激光器的使用成本较高，从而限制了随机激光器的广泛应用和发展。

发明内容

为了打破背景技术中所述的随机激光器的困境，在激光器技术上取得突破，本发明人研发，提出一种基于掺铒铌酸锂多孔材料的上转换绿光随机激光器，该随机激光器克服现有光泵浦随机激光器发光波长无法覆盖至绿光波段以及使用成本偏高的问题，并且通过上转换机制可以利用长波长的泵浦光实现短于泵浦光波长的随机激光输出。

依据本发明的第一方面，提出一种基于掺铒铌酸锂多孔材料的上转换绿光随机激光器，其包括：泵浦光源1、准直凸透镜2、聚焦凸透镜3、斩波器4、掺铒铌酸锂多孔材料5；连续激光器作为泵浦光源1；所述出射光经过一个准直凸透镜2后准直为一束平行光，再经由另一个聚焦凸透镜3聚焦至掺铒铌酸锂多孔材料5表面；泵浦光源的泵浦光的入射方向与掺铒铌酸锂多孔材料表面呈任意角度；在掺铒铌酸锂多孔材料之前放置一个频率可调的能够避免泵浦光源对掺铒铌酸锂多孔材料的热损伤及发光热猝灭效应的斩波器4；在与掺铒铌酸锂多孔材料表面呈任意角度的方向，利用光纤光谱仪6对随机激光发射进行探测；另外，光纤光谱仪6由数据采集线连接至计算机7对随机激光发射谱进行观测。

其中泵浦光源为波长为980nm的红外光源；本发明提出的随机激光器输出光波段为500nm-560nm。

优选地，掺铒铌酸锂多孔材料为具有上转换发光特性的掺铒铌酸锂多孔材料，或者作为散射介质的材料，或者掺铒铌酸锂多孔材料的孔径的大小为100nm-800nm(纳米)。

依据本发明的第二方面，提出一种使用上述基于掺铒铌酸锂多孔材料的上转换绿光随机激光器产生上转换绿光随机激光的方法，该产生上转换绿光随机激光的方法包括以下步骤：

(1)将波长为980nm泵浦光源的出射光通过准直凸透镜使其成为一束平行光束；

(2)将准直后的波长为980nm平行光通过聚焦凸透镜使其汇聚为一个聚焦光束；

(3)将波长为980nm的聚焦光束通过一个斩波器，使其成为脉冲光；

(4)将掺铒铌酸锂多孔材料置于波长为980nm的聚焦脉冲光束的焦点处，泵浦光入射方向与掺铒铌酸锂多孔材料表面可呈任意角度；

(5)增大波长为980nm的泵浦光源的输出功率，可在样品的多个角度观测到上转换绿光随机激光输出。

本发明的有益结果是：该基于掺铒铌酸锂多孔材料的上转换绿光随机激光器成功实现了绿光波段的随机激光输出。该基于掺铒铌酸锂多孔材料的上转换绿光随机激光器所使用的泵浦光源为比绿光波长更长的980nm激光器。由于波长为980nm的激光器价格相对与其它光抽运随机激光器中作为泵浦源使用的纳秒或皮秒激光器价格更为低廉，所以利用波长为980nm的激光器做泵浦源可以大大降低光抽运随机激光器的使用成本，使其在科学研究及工业生产中更易得到广泛应用。

附图简要说明

图1是基于掺铒铌酸锂多孔材料的上转换绿光随机激光器的结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达到预定发明目的所采取的技术手段及功效，下面结合附图及实施例，对本发明提出的掺铒铌酸锂多孔材料绿光随机激光器的具体部件、具体结构以及各部件之间的连接关系进行详细阐述；并对使用所述随机激光器产生激光的方法的具体操作方法、步骤及功效详细说明如后。

依据本发明提出的技术方案，使得可以利用现在市场上价格相对较低的红外半导体激光器做泵浦源。具体地，本发明提出了基于掺铒铌酸锂多孔材料的上转换绿光随机激光器将以波长为980nm的激光器做泵浦源实现可见光波段绿光的随机激光发射。并且，在目前，利用波长为980nm的激光器作为泵浦源的随机激光器还未见报道。

本发明的核心目的在于克服现有光泵浦随机激光器波长范围无法覆盖至绿光波段以及使用成本偏高的问题，提出一种基于掺铒铌酸锂多孔材料的上转换绿光随机激光器。利用掺铒铌酸锂多孔材料的上转换发光特性，其在价格相对低廉的980nm激光器激发下会有绿光出射；再利用该材料的光子局域化特性形成激光震荡谐振腔，从而使绿光增益放大最终形成激光发射。

其中，步骤(1)中所述的准直透镜的焦距根据泵浦光源的发散角选择为20mm-100mm；步骤(2)中所述的聚焦凸透镜的焦距根据准直后的平行光的光斑大小选择为30mm-400mm。步骤(3)中所述的斩波器根据环境因素选择重复频率为10Hz-500Hz。步骤(4)中所述的掺铒铌酸锂多孔材料的放置角度为任意角度。上述步骤(5)中的上转换绿光随机激光输出的观测角度为任意角度。

更具体地，为实现上述目的，本发明的技术方案是利用具有上转换发光特性和光子局域化特性的掺铒铌酸锂多孔材料作为上转换绿光随机激光器的激光增益介质，并使用波长为980nm的红外激光做泵浦源，从而实现上转换绿光随机激光器。其结构包括有泵浦光源、准直透镜、聚焦透镜、斩波器、激光增益介质；泵浦光源为波长980nm的激光器；其中激光增益介质为具有上转换发光特性和光子局域化特性的掺铒铌酸锂多孔材料；其中掺铒铌酸锂多孔材料既作为散射介质又具有将波长为980nm的激发光转化为绿光输出的上转换发光特性；其中掺铒铌酸锂多孔材料所含掺铒铌酸锂微粒大小及孔径大小为100nm-800nm；利用该材料的光子局域化特性形成激光震荡谐振腔，从而使绿光增益放大最终形成激光发射。

发明的基于掺铒铌酸锂多孔材料的上转换绿光随机激光器，其上转换绿光随机激光的产生方法包括以下步骤：

(1)将波长为980nm泵浦光源的出射光通过准直透镜使其成为一束平行光束；

(2)将准直后的波长为980nm平行光通过聚焦透镜使其汇聚为一个聚焦光束；

(3)将波长为980nm的聚焦光束通过一个斩波器，使其成为脉冲光；

(4)将掺铒铌酸锂多孔材料放置于波长为980nm的聚焦脉冲光束的焦点处；

(5)980nm泵浦光源的输出功率高于阈值时，可在样品的多个角度观测到上转换绿光随机激光输出。

上述步骤(1)中所述的准直透镜的焦距根据泵浦光源的发散角选择为20mm-100mm。上述步骤(2)中所述的聚焦透镜的焦距根据准直后的平行光的光斑大小选择为30mm-400mm。上述步骤(3)中所述的斩波器根据环境因素选择重复频率为10Hz-500Hz。上述步骤(4)中所述的掺铒铌酸锂多孔材料激光增益介质的放置角度为任意角度。上述步骤(5)中的上转换绿光随机激光输出的观测角度为任意角度。

下面结合附图和具体实用例对本发明做进一步说明。

图1给出了掺铒铌酸锂多孔材料绿光随机激光器系统的具体配置图：一台最高输出功率为100W、输出功率可调的波长为980nm的连续激光器1作为泵浦源，该激光器的出射光呈30度锥形发散。出射光经过一个准直凸透镜2后准直为一束平行光，再经由另一个聚焦凸透镜3聚焦至掺铒铌酸锂多孔材料5表面。980nm泵浦光的入射方向与多孔掺铒铌酸锂材料表面呈90度角。为避免热效应对掺铒铌酸锂多孔材料的损坏以及热效应可能导致的发光猝灭现象，在掺铒铌酸锂多孔材料之前放置一个频率可调的斩波器4。在与掺铒铌酸锂多孔材料表面呈30度的方向，利用光纤光谱仪6对随机激光发射进行探测。光纤光谱仪由数据采集线连接至计算机7对随机激光发射谱进行观测。掺铒铌酸锂多孔材料随机激光器的光致发射谱在520nm-560nm的绿光区域内可观测到多个具有随机激光特性的半峰宽1nm以下的窄线宽发射峰。

更具体地，连续激光器作为泵浦光源1，该连续激光器的出射光呈30度锥形发散；所述出射光经过一个准直凸透镜2后准直为一束平行光，再经由另一个聚焦凸透镜3聚焦至掺铒铌酸锂多孔材料5表面；泵浦光源的泵浦光的入射方向与掺铒铌酸锂多孔材料表面呈90度角；在掺铒铌酸锂多孔材料之前放置一个频率可调的能够避免泵浦光源对掺铒铌酸锂多孔材料的热损伤及发光热猝灭效应的斩波器4；在与掺铒铌酸锂多孔材料表面呈30度的方向，利用光纤光谱仪6对随机激光发射进行探测；另外，光纤光谱仪6由数据采集线连接至计算机7对随机激光发射谱进行观测。

如上述，已经清楚详细地描述了本发明提出的掺铒铌酸锂多孔材料绿光随机激光器及使用其产生激光的方法。尽管本发明的优选实施例详细描述并解释了本发明，但是本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出多种修改。

Claims (10)

1.一种基于掺铒铌酸锂多孔材料的上转换绿光随机激光器，其特征在于包括：泵浦光源(1)、准直凸透镜(2)、聚焦凸透镜(3)、斩波器(4)、掺铒铌酸锂多孔材料(5)；

连续激光器作为泵浦光源(1)；所述出射光经过一个准直凸透镜(2)后准直为一束平行光，再经由另一个聚焦凸透镜(3)聚焦至掺铒铌酸锂多孔材料(5)表面；在掺铒铌酸锂多孔材料之前放置一个频率可调的能够避免泵浦光源对掺铒铌酸锂多孔材料的热损伤及发光热猝灭效应的斩波器(4)；利用光纤光谱仪(6)对随机激光发射进行探测；另外，光纤光谱仪(6)由数据采集线连接至计算机7对随机激光发射谱进行观测。

2.根据权利要求1所述的上转换绿光随机激光器，其中泵浦光源为波长为980nm的红外光源。

3.根据权利要求1所述的上转换绿光随机激光器，该激光器输出光波段为500nm-560nm。

4.根据权利要求1所述的上转换绿光随机激光器，其中掺铒铌酸锂多孔材料为具有上转换发光特性的掺铒铌酸锂多孔材料，或者作为散射介质的材料，或者掺铒铌酸锂多孔材料的孔径的大小为100nm-800nm(纳米)。

5.使用上述权利要求1-4中任一个所述的基于掺铒铌酸锂多孔材料的上转换绿光随机激光器产生上转换绿光随机激光的方法，该产生上转换绿光随机激光的方法包括以下步骤：

(1)将波长为980nm泵浦光源的出射光通过准直凸透镜使其成为一束平行光束；

(2)将准直后的波长为980nm平行光通过聚焦凸透镜使其汇聚为一个聚焦光束；

(3)将波长为980nm的聚焦光束通过一个斩波器，使其成为脉冲光；

(4)将掺铒铌酸锂多孔材料置于波长为980nm的聚焦脉冲光束的焦点处，泵浦光入射方向与掺铒铌酸锂多孔材料表面可呈任意角度；

(5)增大波长为980nm的泵浦光源的输出功率，可在样品的多个角度观测到上转换绿光随机激光输出。

6.根据权利要求5的产生上转换绿光随机激光的方法，其中步骤(1)中所述的准直透镜的焦距根据泵浦光源的发散角选择为20mm-100mm。

7.根据权利要求5的产生上转换绿光随机激光的方法，其中上述步骤(2)中所述的聚焦凸透镜的焦距根据准直后的平行光的光斑大小选择为30mm-400mm。

8.根据权利要求5的产生上转换绿光随机激光的方法，其中上述步骤(3)中所述的斩波器根据环境因素选择重复频率为10Hz-500Hz。

9.根据权利要求5的产生上转换绿光随机激光的方法，其中上述步骤(4)中所述的掺铒铌酸锂多孔材料的放置角度为任意角度。

10.根据权利要求5的产生上转换绿光随机激光的方法，其中上述步骤(5)中的上转换绿光随机激光输出的观测角度为任意角度。

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