CN102306899A - 一种可用于探测co和co2气体的固体激光器 - Google Patents

Abstract

一种可用于探测CO和CO₂气体的1580nm单波长固体激光器，属于固体激光材料和器件领域。采用Er³⁺和Yb³⁺双掺的硼铝酸盐激光晶体作为增益介质，结合该晶体在1.5-1.6μm波段良好的激光性能以及在1580nm波长处具有增益峰的特性，通过设计激光腔的输入和输出介质膜片透过率，利用976nm附近波段的红外激光泵浦实现1580nm单波长固体激光输出。本方法获得的具有高输出功率和高光束质量的1580nm单波长固体激光，可以用于CO和CO₂气体探测。

Description

一种可用于探测CO和CO2气体的固体激光器

 

技术领域

本发明涉及固体激光材料和器件领域。

背景技术

1580nm是CO和CO₂气体位于近红外波段的一个吸收峰值波长。因此，对人眼安全的1580nm波长激光可用于微量CO和CO₂气体的远程探测，具有重要的军事和民用价值及广阔的市场前景。目前，用于探测CO和CO₂气体的激光吸收光谱仪（laser absorption spectrometer，LAS）光源主要是采用1580nm半导体激光器。由于半导体激光器输出光束质量较差，且输出激光波长随工作温度和输出功率而发生变化，因此在测量精度和灵敏性等方面受到了限制。

目前，利用Er³⁺和Yb³⁺离子双掺的硼铝酸盐晶体作为增益介质已经实现了高性能的1.5-1.6μm波段的激光运转。该晶体在1.5-1.6μm波段具有宽的增益谱带和多个增益峰，其中一个增益峰正好位于1580nm波长，因此，通过采用特殊设计的激光腔镜，即可抑制除1580nm外其它波长的激光起振，实现高性能的1580nm单波长固体激光输出。该单波长固体激光可以有效提高微量CO和CO₂气体远程探测的测量精度和灵敏性。

发明内容

本发明的目的是采用Er³⁺和Yb³⁺离子双掺的硼铝酸盐晶体作为增益介质，通过激光腔镜透过率设计来抑制除1580nm外其它波长的激光起振，获得高输出功率和高光束质量的1580nm单波长固体激光，以应用于CO和CO₂气体探测。

本发明包括如下技术方案：

1.       一种1580nm单波长固体激光器，包括红外激光泵浦系统、激光腔以及Er³⁺和Yb³⁺离子双掺激光材料，其特征在于：该激光器采用Er_xYb_yR_(1-x-y)Al₃(BO₃)₄激光晶体作为增益介质，其中0.005≤x≤0.05，0.05≤y≤0.5，R为Sc、Y、La、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的组合；激光泵浦系统利用976nm附近波长的红外激光；激光腔输入介质膜片设计为在976nm波长附近透过率T≥80%，在1580nm波长处透过率T≤1%，长于1590nm波长处的透过率T≥10%；激光腔输出介质膜片设计为在1580nm波长处透过率1%≤T≤3%，短于1560nm波长处的透过率T≥10%。

2.       如项1所述的固体激光器，其特征在于：激光腔输入介质膜片设计为在976nm波长附近透过率T≥80%，在1580nm波长处透过率T≤1%，短于1560nm波长处的透过率T≥10%；激光腔输出介质膜片设计为在1580nm波长处透过率1%≤T≤3%，长于1590nm波长处的透过率T≥10%。

3.       如项1所述的固体激光器，其特征在于：将其中一面或两面介质膜片分别直接镀在所述的激光晶体的一个或两个相对端面上。

4.       一种1580nm单波长脉冲激光器，其特征在于：在项1的固体激光器的激光晶体和输出介质膜片间插入1580nm波长处的调Q或锁模元件，输出1580nm单波长脉冲激光。

5.       如项4所述的激光器，其特征在于：将所述的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和输出介质膜片。

6.       如项5所述的激光器，其特征在于：将所述的激光晶体与所述的调Q或锁模元件分开。

7.       如项4，5或激光器，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能获得具有高输出功率和高光束质量的1580nm单波长固体激光，提高微量CO和CO₂气体的探测精度和灵敏性。

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1580nm单波长固体激光输出。

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⁺离子对平行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。入射镀膜腔镜在976nm波长附近透过率T≥90%，在1580nm波长处透过率T＝0.8%，长于1590nm波长处的透过率T≥20%；出射镀膜腔镜在1580nm波长处透过率T＝1.7%，短于1560nm波长处的透过率T≥15%。利用20W的976nm半导体激光端面泵浦即可得到输出功率高于1.0W的1580nm单波长激光。也可以将介质膜分别镀在激光晶体的端面上，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LuAl₃(BO₃)₄晶体实现1580nm单波长固体激光输出。

利用熔盐法生长掺杂24.1at.%Yb³⁺和1.1at.%Er³⁺的LuAl₃(BO₃)₄晶体。在976nm处，Yb³⁺和Er³⁺离子对平行于光轴入射的泵浦光的吸收系数总和为45cm^-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。入射镀膜腔镜在976nm波长附近透过率T≥90%，在1580nm波长处透过率T＝0.8%，长于1590nm波长处的透过率T≥20%；出射镀膜腔镜在1580nm波长处透过率T＝1.7%，短于1560nm波长处的透过率T≥15%。利用20W的976nm半导体激光端面泵浦即可得到输出功率高于1.5W的1580nm单波长激光。也可以将介质膜分别镀在激光晶体的端面上，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YAl₃(BO₃)₄晶体实现1580nm单波长脉冲固体激光输出。

直接将1580nm波段的声光调Q模块插入实例1中激光晶体和出射镀膜腔镜之间，利用20W的976nm半导体激光端面泵浦即可实现脉冲能量高于250 μJ，脉冲宽度短于220 ns和输出峰值功率高于1.1 kW的1580nm主动调Q单波长脉冲激光输出。或者将激光晶体的一个端面与声光调Q模块的一个端面粘贴，激光晶体的另一个端面和声光调Q模块的另一个端面镀上适合976nm红外激光端面泵浦、1580nm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1580nm主动调Q单波长脉冲激光。

Claims (7)

1.一种1580nm单波长固体激光器，包括红外激光泵浦系统、激光腔以及Er³⁺和Yb³⁺离子双掺激光材料，其特征在于：该激光器采用Er_xYb_yR_(1-x-y)Al₃(BO₃)₄激光晶体作为增益介质，其中0.005≤x≤0.05，0.05≤y≤0.5，R为Sc、Y、La、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的组合；激光泵浦系统利用976nm附近波长的红外激光；激光腔输入介质膜片设计为在976nm波长附近透过率T≥80%，在1580nm波长处透过率T≤1%，长于1590nm波长处的透过率T≥10%；激光腔输出介质膜片设计为在1580nm波长处透过率1%≤T≤3%，短于1560nm波长处的透过率T≥10%。

2.如权利要求1所述的固体激光器，其特征在于：激光腔输入介质膜片设计为在976nm波长附近透过率T≥80%，在1580nm波长处透过率T≤1%，短于1560nm波长处的透过率T≥10%；激光腔输出介质膜片设计为在1580nm波长处透过率1%≤T≤3%，长于1590nm波长处的透过率T≥10%。

3.如权利要求1或2所述的固体激光器，其特征在于：将其中一面或两面介质膜片分别直接镀在所述的激光晶体的一个或两个相对端面上。

4.一种1580nm单波长脉冲激光器，其特征在于：在权利要求1的固体激光器的激光晶体和输出介质膜片间插入1580nm波长处的调Q或锁模元件，输出1580nm单波长脉冲激光。

5.如权利要求4所述的单波长脉冲激光器，其特征在于：将所述的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和输出介质膜片。

6.如权利要求5所述的单波长脉冲激光器，其特征在于：将所述的激光晶体与所述的调Q或锁模元件分开。

7.如权利要求4，5或6所述的单波长脉冲激光器，其特征在于：将所述的调Q和锁模元件同时置于激光腔中。