CN102761057A - 一种腔内倍频780纳米固体激光器 - Google Patents

Abstract

一种腔内倍频780nm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1560nm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，同时在激光腔中加入沿倍频1560nm激光的相位匹配方向切割的非线性光学晶体，利用976nm附近波段的红外激光泵浦，可实现780nm单波长固体激光输出。本方法获得的高功率和高光束质量的780nm单波长固体激光，可以应用于超冷原子物理和量子信息等领域。

Description

一种腔内倍频780纳米固体激光器

 

技术领域

本发明涉及固体激光材料和器件领域。

背景技术

780nm激光对应于铷原子的D₂吸收跃迁。因此，780nm激光可应用于超冷原子物理研究、原子钟、量子存储、量子通讯和计算等众多领域中，具有重要的军事和民用价值及广阔的市场前景。目前，用于上述领域的780nm激光主要是以1560nm光纤或半导体激光器作为光源，利用腔外倍频技术获得的。获得的780nm激光相对于固体激光而言，光束质量和波长稳定性均较差，在实际应用中受到了一定的限制。

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1560nm波长，因此，通过采用特殊设计的激光腔镜，即可抑制除1560nm外其它波长的激光起振，实现高性能的1560nm单波长固体激光输出。然后利用腔内倍频技术，即可获得具有高输出光束质量和波长稳定性的780nm固体激光。

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1560nm外其它波长的激光起振，同时在激光腔内加入倍频元件，获得高性能的780nm单波长固体激光，以应用于超冷原子物理和量子信息等领域。

本发明包括如下技术方案：

1.       一种腔内倍频780nm固体激光器，包括红外激光泵浦系统、激光腔、Er³⁺和Yb³⁺离子双掺激光晶体以及用作倍频1560nm激光的非线性光学晶体，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≥70%，在1560nm波长处透过率T≤1%，长于1570nm波长处的透过率T≥4%；激光腔输出介质膜片设计为在780nm波长处透过率T≥70%，在1560nm波长处透过率T≤3%，短于1550nm波长处的透过率T≥5%；非线性光学晶体为KTP、LBO、BBO或LiNbO₃晶体，并沿倍频1560nm激光的相位匹配角切割。

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≥70%，在1560nm波长处透过率T≤1%，短于1550nm波长处的透过率T≥5%；激光腔输出介质膜片设计为在780nm波长处透过率T≥70%，在1560nm波长处透过率T≤3%，长于1570nm波长处的透过率T≥4%。

3.       如项1或2所述的固体激光器，其特征在于：将所述的激光晶体的一个端面与所述的非线性光学晶体的一个端面粘贴，在激光晶体的另一个端面和非线性光学晶体的另一个端面分别镀上输入和输出介质膜片。

4.       一种腔内倍频780nm固体脉冲激光器，其特征在于：在项1或2的固体激光器的激光晶体和非线性光学晶体间插入1560nm波长处的调Q或锁模元件，输出780nm单波长脉冲激光。

5.       如项4所述的固体脉冲激光器，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，再将所述的调Q或锁模元件的另一端面与所述的非线性光学晶体的一个端面粘贴，在激光晶体的另一个端面和非线性光学晶体的另一个端面分别镀上输入和输出介质膜片。

6.       如项5所述的固体脉冲激光器，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.       如项5所述的固体脉冲激光器，其特征在于：将所述的调Q或锁模元件与所述的非线性光学晶体分开。

8.       如项4，5，6和7其中任一所述的固体脉冲激光器，其特征在于：将所述的调Q和锁模元件同时置于激光腔中。

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高功率和高光束质量的780nm单波长固体激光，而且可以使器件更加紧凑和稳定可靠，使用更加方便。

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激光晶体实现780nm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激光晶体。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。入射镀膜腔镜在976nm波长附近透过率T＝90%，在1560nm波长处透过率T＝0.1%，长于1570nm波长处的透过率T≥4%；出射镀膜腔镜在780nm波长处透过率T＝80%，在1560nm波长处透过率T＝2.5%，短于1550nm波长处的透过率T≥8%。在激光晶体和出射镀膜腔镜间加入沿倍频1560nm激光的II类相位匹配角切割的KTP非线性光学晶体（θ＝54o，φ＝0o）。利用20W的976nm半导体激光端面泵浦即可得到功率高于50mW的780nm单波长固体激光输出。也可以将介质膜分别镀在激光晶体和非线性光学晶体的一个端面上，或者将激光晶体和非线性光学晶体粘贴，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激光晶体实现780nm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激光晶体。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。入射镀膜腔镜在976nm波长附近透过率T＝90%，在1560nm波长处透过率T＝0.1%，长于1570nm波长处的透过率T≥4%；出射镀膜腔镜在780nm波长处透过率T＝80%，在1560nm波长处透过率T＝2.5%，短于1550nm波长处的透过率T≥8%。在激光晶体和出射镀膜腔镜间加入沿倍频1560nm激光的II类相位匹配角切割的KTP非线性光学晶体（θ＝54o，φ＝0o）。利用20W的976nm半导体激光端面泵浦即可得到功率高于60mW的780nm单波长固体激光输出。也可以将介质膜分别镀在激光晶体和非线性光学晶体的一个端面上，或者将激光晶体和非线性光学晶体粘贴，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激光晶体实现780nm单波长固体脉冲激光输出。

直接将1560nm波段的声光调Q模块插入实例1中激光晶体和非线性光学晶体之间，利用20W的976nm半导体激光端面泵浦即可实现脉冲能量高于30μJ，脉冲宽度短于80ns和输出峰值功率高于0.3kW的780nm主动调Q单波长固体脉冲激光输出。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，再将声光调Q模块的另一端面与非线性光学晶体的一个端面粘贴，激光晶体的另一个端面和非线性光学晶体的另一个端面镀上适合976nm红外激光端面泵浦、1560nm激光谐振并输出780nm脉冲激光的介质膜，利用976nm半导体激光端面泵浦也可输出780nm主动调Q单波长固体脉冲激光。

Claims (8)

1.一种腔内倍频780nm固体激光器，包括红外激光泵浦系统、激光腔、Er³⁺和Yb³⁺离子双掺激光晶体以及用作倍频1560nm激光的非线性光学晶体，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≥70%，在1560nm波长处透过率T≤1%，长于1570nm波长处的透过率T≥4%；激光腔输出介质膜片设计为在780nm波长处透过率T≥70%，在1560nm波长处透过率T≤3%，短于1550nm波长处的透过率T≥5%；非线性光学晶体为KTP、LBO、BBO或LiNbO₃晶体，并沿倍频1560nm激光的相位匹配角切割。

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≥70%，在1560nm波长处透过率T≤1%，短于1550nm波长处的透过率T≥5%；激光腔输出介质膜片设计为在780nm波长处透过率T≥70%，在1560nm波长处透过率T≤3%，长于1570nm波长处的透过率T≥4%。

3.如权利要求1或2所述的固体激光器，其特征在于：将所述的激光晶体的一个端面与所述的非线性光学晶体的一个端面粘贴，在激光晶体的另一个端面和非线性光学晶体的另一个端面分别镀上输入和输出介质膜片。

4.一种腔内倍频780nm固体脉冲激光器，其特征在于：在权利要求1或2的固体激光器的激光晶体和非线性光学晶体间插入1560nm波长处的调Q或锁模元件，输出780nm单波长脉冲激光。

5.如权利要求4所述的固体脉冲激光器，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，再将所述的调Q或锁模元件的另一端面与所述的非线性光学晶体的一个端面粘贴，在激光晶体的另一个端面和非线性光学晶体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所述的固体脉冲激光器，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5所述的固体脉冲激光器，其特征在于：将所述的调Q或锁模元件与所述的非线性光学晶体分开。

8.如权利要求4，5，6和7其中任一所述的固体脉冲激光器，其特征在于：将所述的调Q和锁模元件同时置于激光腔中。