CN102664345A - 输出1.5-1.6微米波段激光的固体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种以铒离子掺杂硼酸镱锶晶体为增益介质的1.5-1.6μm波段激光器，属于固体激光材料和器件领域。采用铒离子掺杂的硼酸镱锶激光晶体作为增益介质，结合激活离子铒和基质晶体中敏化离子镱的半径非常接近以及基质晶体中具有高镱离子浓度的特性，通过优化晶体中铒离子的掺杂浓度，利用977nm波长附近的红外激光泵浦，可实现1.5-1.6μm波段固体激光输出。

Description

输出1.5-1.6微米波段激光的固体激光器

技术领域

本发明涉及固体激光材料和器件领域。

背景技术

以铒离子(Er³⁺)为激活离子的固体激光器的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，因此被广泛使用在医学、军事、精密测距、精密遥感测量和光通讯等国防和民用领域。

目前1.5-1.6μm波段激光性能较好的激光晶体是Er³⁺和Yb³⁺双掺硼酸盐，如：Er:Yb:RCa₄O(BO₃)₃、Er:Yb:RAl₃(BO₃)₄、和Er:Yb:Sr₃R₂(BO₃)₄(R＝Y，Gd)晶体。在上述晶体中，Er:Yb:RCa₄O(BO₃)₃晶体在峰值976nm处的吸收半高宽仅有3～4nm，不利于InGaAs半导体激光器的泵浦；Er:Yb:RAl₃(BO₃)₄晶体只能采用周期长、成本高、难生长的熔盐法生长；Er:Yb:Sr₃R₂(BO₃)₄晶体虽然可采用周期短、成本低、易生长的提拉法生长，但Sr₃R₂(BO₃)₄基质晶体本身的热机械性能要弱于RCa₄O(BO₃)₃和RAl₃(BO₃)₄晶体，而且要实现高效率的1.5-1.6μm波段激光输出，还需在Sr₃R₂(BO₃)₄基质晶体中掺入0.1～3.0mol％的Er³⁺离子和15～50mol％的Yb³⁺离子，而Er³⁺

和Yb³⁺

离子的半径与基质晶体中被取代Y³⁺ 或Gd³⁺

离子的半径差异较大，在晶体生长过程中会产生不同程度的晶格缺陷，因此，高浓度的掺杂将进一步降低晶体的光学质量和热机械性能，从而影响1.5-1.6μm波段激光的输出性能。Er³⁺离子掺杂硼酸镱锶(Sr₃Yb₂(BO₃)₄)晶体中敏化离子Yb³⁺是基质晶体本身组成之一，而不是以一种“掺杂”的形式存在于晶体中。同时，由于Er³⁺和Yb³⁺离子的半径非常接近，因此在Sr₃Yb₂(BO₃)₄晶体中掺入Er³⁺离子，可以有效地减少晶体生长过程中产生的缺陷，提高晶体的光学质量和输出激光的性能。此外，Sr₃Yb₂(BO₃)₄晶体具有非常高的Yb³⁺离子浓度，在厚度为120微米左右的Er³⁺离子掺杂Sr₃Yb₂(BO₃)₄晶体中便可有效吸收977nm波长附近的入射泵浦光，可应用于1.5-1.6μm波段的微片激光器件。

发明内容

本发明的目的是采用Er³⁺离子掺杂的硼酸镱锶晶体作为增益介质，通过控制晶体中Er³⁺离子的浓度，实现1.5-1.6μm波段激光输出。

本发明包括如下技术方案：

1.输出1.5-1.6μm波段激光的固体激光器，是由红外激光泵浦系统、激光腔和Er³⁺离子掺杂激光晶体组成。其特征在于：该激光器中的激光晶体为Er_2xSr₃Yb_2(1-x)(BO₃)₄晶体，其中x＝0.1～5.0mol％；红外激光泵浦系统可利用977nm附近波长的红外激光；激光腔由输入和输出介质膜片组成；激光腔输入介质膜设计为在977nm波长附近透过率T≥70％，在1.5-1.6μm波段处透过率T≤1％；激光腔输出介质膜设计为在1.5-1.6μm波段处透过率0.5％≤T≤10％。

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

3.一种1.5-1.6μm波段固体激光器，其特征在于：在项1所述的激光器的激光晶体和激光腔输出介质膜之间插入1.5-1.6μm波段的调Q或锁模元件，输出1.5-1.6μm波段脉冲激光。

4.如项3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如项1所述的激光腔输入和输出介质膜。

5.如项4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。

6.如项3，4和5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。

7.一种1.5-1.6μm波段固体激光器，其特征在于：在项1所述的激光器的激光晶体和激光腔输出介质膜之间插入1.5-1.6μm波段的波长调谐元件，输出1.5-1.6μm波段可调谐激光。

实施本发明技术方案具有的有益效果是：以采用周期短、成本低和易生长的Er_2xSr₃Yb_2(1-x)(BO₃)₄晶体为增益介质，可使器件更加紧凑和稳定可靠，使用更加方便；Er³⁺离子在该晶体中还具有较宽的发射带，因此以Er_2xSr₃Yb_2(1-x)(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1：977nm半导体激光端面泵浦Er³⁺离子掺杂的Sr₃Yb₂(BO₃)₄激光晶体实现1568nm固体激光输出。

利用提拉生长掺杂1.0at.％Er³⁺的Sr₃Yb₂(BO₃)₄激光晶体。在977nm处，Z切片激光晶体对入射的泵浦光的偏振吸收系数分别约为128cm^-1(E//X)和147cm^-1(E//Y)。使用厚度为118μm的Z切片晶体(端面积一般为平方毫米到平方厘米)，可单程吸收入射泵浦光功率80％左右。然后将激光晶体端面抛光后固定在中间有通光孔的铝片上并置于激光腔中。激光腔输入介质膜在977nm波长附近透过率T＝90％，在1.5-1.6μm波段处透过率T＝0.1％，激光腔输出介质膜在1.5-1.6μm波段处透过率T＝1.0％。利用20W的977nm半导体激光端面泵浦即可得到功率高于1.3W的1568nm固体激光输出。也可以将激光腔输入和输出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2：977nm半导体激光端面泵浦Er³⁺离子掺杂的Sr₃Yb₂(BO₃)₄激光晶体实现1530nm固体激光输出。

利用提拉法生长掺杂1.5at.％Er³⁺的Sr₃Yb₂(BO₃)₄激光晶体。在977nm处，Z切片激光晶体对入射的泵浦光的偏振吸收系数分别约为128cm^-1(E//X)和147cm^-1(E//Y)。使用厚度为118μm的Z切片晶体(端面积一般为平方毫米到平方厘米)，可单程吸收入射泵浦光功率80％左右。然后将激光晶体端面抛光后固定在中间有通光孔的铝片上并置于激光腔中。激光腔输入介质膜在977nm波长附近透过率T＝90％，在1.5-1.6μm波段处透过率T＝0.1％，激光腔输出介质膜在1.5-1.6μm波段处透过率T＝2.0％。利用20W的977nm半导体激光端面泵浦即可得到功率高于0.6W的1530nm固体激光输出。也可以将激光腔输入和输出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3：977nm半导体激光端面泵浦Er³⁺离子掺杂的Sr₃Yb₂(BO₃)₄激光晶体实现1530nm被动调Q脉冲激光输出

直接将被动调Q片(如Co²⁺:MgAl₂O₄)插入实例2中激光晶体和激光腔输出介质膜之间，利用977nm半导体激光端面泵浦即可实现1530nm被动调Q脉冲激光输出。或者将激光晶体的一个端面与被动调Q片的一个端面粘贴，再将激光晶体的另一个端面和被动调Q片的另一个端面分别镀上激光腔输入和输出介质膜，利用977nm半导体激光端面泵浦也可输出1530nm被动调Q脉冲激光。

实例4：977nm半导体激光端面泵浦Er³⁺离子掺杂的Sr₃Yb₂(BO₃)₄激光晶体实现1530nm主动调Q脉冲激光输出。

直接将1.5-1.6μm波段的声光调Q模块插入实例2中激光晶体和激光腔输出介质膜之间，利用977nm半导体激光端面泵浦即可实现1530nm主动调Q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，再将激光晶体的另一个端面和声光调Q模块的另一个端面分别镀上激光腔输入和输出介质膜，利用977nm半导体激光端面泵浦也可输出1530nm主动调Q脉冲激光。

实例5：977nm半导体激光端面泵浦Er³⁺离子掺杂的Sr₃Yb₂(BO₃)₄激光晶体实现1530-1568nm可调谐激光输出。

直接将1.5-1.6μm波段的波长调谐元件(如双折射滤光片)，插入实例2中激光晶体和激光腔输出介质膜之间，利用977nm半导体激光端面泵浦即可实现1530-1568nm调谐激光输出。

Claims (3)

1.输出5-1.6μm波段激光的固体激光器，由泵浦系统、激光腔和Er³⁺离子掺杂激光晶体组成，其特征在于：该激光器中的激光晶体为Er_2xSr₃Yb_2(1-x)(BO₃)₄晶体，其中x＝0.1～5.0mol％；该激光器采用930-1000nm波段的红外激光进行泵浦。

2.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于：在所述的激光晶体和激光腔输出介质膜片之间插入1.5-1.6μm波段的调Q或锁模元件，输出1.5-1.6μm波段脉冲激光。

3.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于：在所述的激光晶体和激光腔输出介质膜片之间插入1.5-1.6μm波段的波长调谐元件，输出1.5-1.6μm波段可调谐激光。