CN102978705A - 铥钬共掺钼酸钆锂激光晶体及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
一种可作为1.95—2.1μm波段固体激光增益介质的铥钬共掺钼酸钆锂激光晶体，涉及激光晶体和器件领域。该类晶体的分子式为：LiTmxHoyGd1-x-y(MoO4)2，其中x=0.03—0.15，y=0.003—0.015。该类晶体可采用提拉法生长，在空气中不潮解，具有良好的热、机械和化学稳定性，并且具有良好的自受激拉曼散射特性。以该类晶体为激光增益介质能够实现1.95—2.1μm波段连续、可调谐、以及短脉冲激光输出；利用其自身的受激拉曼散射特性还可将所得基频激光转换成波长范围更宽的自受激拉曼散射激光输出。
Description
技术领域
本发明涉及激光晶体和器件领域。
背景技术
以钬（Ho3+）为激活离子，由5I7→5I8跃迁产生的2.0μm波段激光处于H2O和CO2等分子的强烈吸收区；该波段激光对人眼安全，在医疗、通讯和国防等领域具有广泛的应用前景。采用铥（Tm3+）离子敏化，借助于铥离子的交叉弛豫3H4+3H6→3F4+3F4以及铥向钬的能量传递3F4(Tm3+)+5I8(Ho3+)→3H6(Tm3+)+5I7(Ho3+)，可以方便地利用发射波长在800 nm附近的商品化半导体激光进行泵浦。在此基础上制成的全固态激光器具有使用寿命长、光束质量好、转换效率高等特点。
钼酸盐晶体中Tm3+离子3H6→3H4跃迁吸收截面大，Tm3+与Ho3+离子能级匹配好，能量传递效率高；Ho3+离子在2.0 μm波段荧光发射谱覆盖范围达200 nm，以钼酸盐晶体作为增益介质可制成性能优异的可调谐和短脉冲激光器。此外，钼酸盐晶体具有良好的拉曼效应，Tm3+/Ho3+共掺钼酸盐晶体还可实现自受激拉曼散射激光输出，拓展输出激光的波长。
发明内容
本发明的目的在于提供Tm3+/Ho3+离子共掺的钼酸钆锂（Tm3+/Ho3+:LiGd(MoO4)2）晶体及其制备方法，通过控制晶体中Tm3+与Ho3+离子的掺杂浓度配比，实现低阈值和高效的1.95—2.1 μm波段以及自拉曼频移的激光输出。
本发明包括如下技术方案：
1.
一种Tm3+/Ho3+离子共掺的钼酸钆锂激光晶体，该类晶体的分子式为LiTmxHoyGd1-x-y(MoO4)2，其中x=0.03—0.15，y=0.003—0.015；该类晶体属于四方晶系，空间群为
，钼酸钆锂晶体的单胞参数为a=b=5.181 Å，c=11.285 Å。
2.
一种项1所述的Tm3+/Ho3+共掺钼酸钆锂激光晶体的制备方法，该晶体采用提拉法生长，晶体生长的温度约为1025 ℃，提拉速度为1—2毫米/小时，晶体转速为15—35转/分钟。
3.
一种输出波长介于1.95—2.1 μm的固体激光器，该激光器由泵浦系统、激光腔和以项1所述的晶体作为激光增益介质组成，采用发射光能被该晶体有效吸收的泵浦源。
4.
如项3所述的激光器，直接在激光晶体的两端面镀介质膜，构成一台没有独立的入射腔镜和出射腔镜的激光器。
5.
一种输出1.95—2.1 μm波段激光的可调谐激光器，在项3所述固体激光器的激光腔中插入调谐元件，获得1.95—2.1 μm波段的可调谐激光输出。
6.
一种输出波长介于1.95—2.1 μm的脉冲激光器，在项3所述固体激光器的激光腔中插入调Q或锁模元件，获得1.95—2.1 μm波段的脉冲激光运转。
7.
一种输出波长长于2.1 μm的自受激拉曼散射激光器，在项6所述脉冲激光器基础上，采用对1.95—2.1 μm波段光高反，对2.4—2.6 μm波段光透过率为3—20%的输出镜，经LiTmxHoyGd1-x-y(MoO4)2晶体的受激拉曼散射效应输出自受激拉曼散射激光。
8.
如项5所述的可调谐激光器，将输入腔镜介质膜直接镀在激光晶体的泵浦端面，构成没有独立入射腔镜的激光器；或将输出腔镜介质膜镀在调谐元件的输出端面，构成没有独立出射腔镜的激光器；或共同构成没有独立入射和出射腔镜的激光器。
9.
如项6所述的脉冲激光器，将输入腔镜介质膜和输出腔镜介质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，构成没有独立入射腔镜和出射腔镜的激光器；或将激光晶体和调Q或锁模元件粘贴在一起。
实施本发明技术方案具有的有益效果是：LiTmxHoyGd1-x-y(MoO4)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；对泵浦光吸收强；以LiTmxHoyGd1-x-y(MoO4)2晶体为激光增益介质可以实现低阈值和高效1.95—2.1 μm波段激光输出；以LiTmxHoyGd1-x-y(MoO4)2晶体作为激光增益介质还可实现1.95—2.1 μm波段可调谐和超短脉冲激光输出；LiTmxHoyGd1-x-y(MoO4)2晶体作为自拉曼散射激光增益介质，能够制成输出波长长于基频光波段的结构紧凑的自受激拉曼散射激光器。
具体实施方式
实例1：单晶LiTm0.046Ho0.006Gd0.948(MoO4)2的制备
称取11.88 g的Li2CO3（AR）、53.33 g的Gd2O3（99.9%）、91.15 g的MoO3（99.5%）、3.65 g的Tm2O3（99.95%）和0.36 g的Ho2O3（99.95%），将这些原料充分混合研磨后压片，然后置于马弗炉中700 ℃烧结30小时。将烧结过的原料再次研磨压片，在850 ℃重复烧结30小时，获得单相粉末。将此粉末置于一Ø５0 mm×Ø30的铂金坩埚内，置入单晶提拉炉中进行晶体生长。生长过程与参数为：先将粉末升温至约1100 ℃，待完全熔化后降温至1050 ℃并恒温2小时使熔体密度分布均匀，然后缓慢降温至高出熔点5 ℃左右，引入（001）方向籽晶开始生长。经过引种、放肩、等径、提拉等步骤，最后退火完成生长全过程。整个过程提拉速度1—2毫米/小时，籽晶杆转速15—35转/分钟。得到的单晶具有良好的光学质量，尺寸大于Ø20 mm×Ø30 mm 。切取实验所需样品，测得Tm3+和Ho3+实际浓度分别为4.6 at.%和0.6 at.%。
实例2：795 nm半导体激光端面泵浦LiTm0.046Ho0.006Gd0.948(MoO4)2晶体c切片实现2.05 μm激光输出
将LiTm0.046Ho0.006Gd0.948(MoO4)2单晶沿垂直c方向加工成1.10 mm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，输入腔镜介质膜在795 nm波长处高透、1.9–2.1 μm波长处高反(R>99%)，输出腔镜介质膜在795 nm波长处高反(R>98%)、1.9–2.1 μm波长处透过率为3.9%。利用795 nm半导体激光端面泵浦，此激光器可实现阈值为0.54 W，斜率效率和输出功率分别达20%和1.23 W的2.05 μm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3：795 nm半导体激光端面泵浦LiTm0.046Ho0.006Gd0.948(MoO4)2晶体实现1.95—2.08 μm波段可调谐激光输出
将LiTm0.046Ho0.006Gd0.948(MoO4)2单晶（端面积一般在平方毫米到平方厘米）切割并端面抛光后置于激光腔中，晶体通光厚度为1.10 mm，输入腔镜介质膜在795 nm波长处高透、1.9–2.1 μm波长处高反(R>99%)，输出腔镜介质膜在795 nm波长处高反(R>98%)、1.9–2.1 μm波长处透过率为2.4%。在增益介质和输出腔镜之间插入调谐滤镜。利用795 nm半导体激光端面泵浦，通过旋转滤镜实现1.95—2.08 μm波段可调谐激光输出。将输入端面介质膜和输出端面介质膜分别镀在晶体通光面和滤镜输出端面上亦可构成激光器件，并实现同样的目的。
实例4：795 nm半导体激光端面泵浦LiTm0.035Ho0.004Gd0.961(MoO4)2晶体实现2.05 μm锁模脉冲激光输出
795 nm半导体激光端面泵浦，LiTm0.035Ho0.004Gd0.961(MoO4)2晶体通光厚度为2.0 mm，激光腔采用Z型折叠腔，将一半导体饱和吸收体插入腔内作为被动锁模元件，实现2.05 μm脉冲激光输出。或者将激光晶体的一个端面与锁模元件的一个端面粘贴，再将激光晶体和锁模元件的另一个端面镀上适合795 nm激光端面泵浦、激光谐振并输出2.05 μm激光的介质膜，利用795 nm半导体激光端面泵浦也可输出2.05 μm锁模脉冲激光。
实例5：795 nm半导体激光端面泵浦LiTm0.035Ho0.004Gd0.961(MoO4)2晶体实现主动调Q自受激拉曼散射2.5 μm激光输出
795 nm半导体激光端面泵浦，LiTm0.035Ho0.004Gd0.961(MoO4)2晶体通光厚度为2.0 mm，输入镜对泵浦光高透，对1.9—2.1 μm波段和2.4—2.6 μm波段光高反。输出耦合镜对1.9—2.1 μm波段光高反，对2.4—2.6 μm波段光透过率为15%，腔内置入一声光调Q元件。当谐振腔内的基频光辐射超过LiTm0.035Ho0.004Gd0.961(MoO4)2晶体的自受激拉曼散射阈值时，输出自受激拉曼散射频移后的2.5 μm激光。
Claims (9)
1.一种Tm3+/Ho3+离子共掺的钼酸钆锂激光晶体，其特征在于：该晶体的分子式为LiTmxHoyGd1-x-y(MoO4)2，其中x=0.03—0.15，y=0.003—0.015；该晶体属于四方晶系，空间群为
，钼酸钆锂晶体的单胞参数为a=b=5.181 Å，c=11.285 Å。
2.一种权利1所述的Tm3+/Ho3+共掺钼酸钆锂激光晶体的制备方法，该晶体采用提拉法生长，其特征在于：晶体生长的温度约为1025 ℃，提拉速度为1—2毫米/小时，晶体转速为15—35转/分钟。
3.一种输出波长介于1.95—2.1μm的固体激光器，其特征在于：该激光器由泵浦系统、激光腔和以权利1所述的晶体作为激光增益介质组成，采用发射光能被该晶体有效吸收的泵浦源。
4.如权利3所述的固体激光器，其特征在于：直接在激光晶体的两端面镀介质膜，构成一台没有独立的入射腔镜和出射腔镜的激光器。
5.一种输出1.95—2.1μm波段激光的可调谐激光器，其特征在于：在权利3所述固体激光器的激光腔中插入调谐元件，获得1.95—2.1μm波段的可调谐激光输出。
6.一种输出波长介于1.95—2.1μm的脉冲激光器，其特征在于：在权利3所述固体激光器的激光腔中插入调Q或锁模元件，获得1.95—2.1μm波段的脉冲激光运转。
7.一种输出波长长于2.1μm的自受激拉曼散射激光器，其特征在于：在权利6所述脉冲激光器基础上，采用对1.95—2.1μm波段光高反，对2.4—2.6μm波段光透过率为3—20%的输出镜，经LiTmxHoyGd1-x-y(MoO4)2晶体的受激拉曼散射效应输出自受激拉曼散射激光。
8.如权利5所述的可调谐激光器，其特征在于：将输入腔镜介质膜直接镀在激光晶体的泵浦端面，构成没有独立入射腔镜的激光器；或将输出腔镜介质膜镀在调谐元件的输出端面，构成没有独立出射腔镜的激光器；或共同构成没有独立入射和出射腔镜的激光器。
9.如权利6所述的脉冲激光器，其特征在于：将输入腔镜介质膜和输出腔镜介质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，构成没有独立入射腔镜和出射腔镜的激光器；或将激光晶体和调Q或锁模元件粘贴在一起。
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