CN103001115A

CN103001115A - 一种腔内倍频750-810nm波段固体激光器

Info

Publication number: CN103001115A
Application number: CN2011102694390A
Authority: CN
Inventors: 陈雨金; 黄艺东; 林炎富; 龚兴红; 黄建华; 罗遵度
Original assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Current assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2013-03-27

Abstract

一种腔内倍频750-810nm波段固体激光器，属于固体激光材料和器件领域。采用铒离子掺杂的硼酸铝镱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，通过在激光腔中加入沿倍频1.5-1.6μm波段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，可实现高效的腔内倍频750-810nm波段固体激光输出。

Description

一种腔内倍频750-810nm波段固体激光器

技术领域

本发明涉及固体激光材料和器件领域。

背景技术

750-810nm波段激光可用于药物筛选、医学诊断、环境气体监测以及生物学研究等众多领域，具有重要的军事和民用价值及广阔的市场前景。

目前，获得750-810nm波段激光器的技术途径主要有以下几种：

(1)半导体激光器直接输出750-810nm波段激光；

(2)调谐三价过渡族金属离子激光器的输出波长获得750-810nm波段激光。

(3)532nm激光泵浦KTP晶体通过光参量振荡技术获得750-810nm波段激光。

然而，第一种途径的半导体激光器由于输出光束质量较差，激光波长随工作温度和输出功率而变化，而且无法获得高性能的脉冲激光；因此在许多实际应用中受到了限制。第二和第三种技术途径比较复杂，工作环境和条件要求严格，不利于野外及军事应用。

相对于玻璃材料而言，YAl₃(BO₃)₄和GdAl₃(BO₃)₄等晶体材料具有更高的有效声子能量以及热和机械性能。因此，目前双掺Er³⁺和Yb³⁺的YAl₃(BO₃)₄和GdAl₃(BO₃)₄等晶体已经被认为是一种可同时实现高输出功率和高斜率效率的1.5-1.6μm波段激光增益介质。然而，由于Er³⁺和Yb³⁺掺杂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，降低晶体的光学质量，从而影响1.5-1.6μm波段激光的输出性能。YbAl₃(BO₃)₄硼酸铝镱晶体中敏化离子Yb³⁺是晶体本身化学计量比的一个成分，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YbAl₃(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。另外，YbAl₃(BO₃)₄晶体具有非常高的Yb³⁺离子浓度，在厚度为100微米左右的Er³⁺离子掺杂YbAl₃(BO₃)₄晶体中即可有效吸收976nm附近波长的入射泵浦光，实现1.5-1.6μm波段的微片激光运转。因此，采用目前已经成熟的腔内倍频技术，即可实现高效率和高光束质量的750-810nm波段激光输出；而且可以使器件更加紧凑和稳定可靠，使用更加方便。

发明内容

本发明的目的是采用Er³⁺离子掺杂的硼酸铝镱晶体作为增益介质，利用腔内倍频技术获得高性能的750-810nm波段固体激光。

本发明包括如下技术方案：

1.一种腔内倍频750-810nm波段固体激光器，是由红外激光泵浦系统、激光腔、Er³⁺离子掺杂激光晶体以及用于倍频1.5-1.6μm波段激光的非线性光学晶体组成。其特征在于：该激光器中的激光晶体为Er_xYb_(1-x)Al₃(BO₃)₄晶体，其中x＝0.1～5.0mol％；红外激光泵浦系统可利用976nm附近波长的红外激光；激光腔由输入和输出介质膜组成；激光腔输入介质膜设计为在976nm波长附近透过率T≥70％，在1.5-1.6μm波段处透过率T≤1％，在750-810nm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T≤5％，在750-810nm波段处透过率T≥70％；沿倍频1.5-1.6μm波段激光的相位匹配方向切割的非线性光学晶体位于激光晶体和激光腔输出介质膜之间。

2.如项1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如项1所述的激光腔输入和输出介质膜。

3.如项2所述的激光器。其特征在于：将所述的激光晶体与所述的非线性光学晶体分开。

4.一种750-810nm波段固体脉冲激光器。其特征在于：在项1所述的激光器的激光晶体和非线性光学晶体之间插入1.5-1.6μm波段的调Q或锁模元件，输出750-810nm波段脉冲激光。

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，再将调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，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如项1所述的激光腔输入和输出介质膜。

6.如项5所述的激光器。其特征在于：将所述的激光晶体，所述的调Q或锁模元件和所述的非线性光学晶体分开。

7.如项4，5和6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。

8.一种750-810nm波段可调谐固体激光器。其特征在于：在项1所述的激光器的激光晶体和非线性光学晶体之间插入1.5-1.6μm波段的波长调谐元件，输出750-810nm波段可调谐激光。

9.如项8所述的激光器。其特征在于：将如项1所述的激光腔输入介质膜镀在所述的激光晶体的背向波长调谐元件的端面上，将如项1所述的激光腔输出介质膜镀在所述的非线性光学晶体的背向波长调谐元件的端面上。

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不仅能获得具有高输出功率和高光束质量的750-810nm波段激光，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Er³⁺离子掺杂的YbAl₃(BO₃)₄激光晶体实现800nm腔内倍频激光输出。

利用熔盐法生长掺杂1.0at.％Er³⁺的YbAl₄(BO₃)₄激光晶体。在976nm处，激光晶体对平行于光轴入射的泵浦光的吸收系数约为120cm^-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130μm(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。激光腔输入介质膜片在976nm波长附近透过率T＝90％，在1.5-1.6μm波段处透过率T＝0.1％，在750-810nm波段处透过率T＝0.1％，激光腔输出介质膜片在1.5-1.6μm波段处透过率T＝0.5％，在750-810nm波段处透过率T＝80％。在激光晶体和激光腔输出介质膜片之间加入沿倍频1600nm激光的I类相位匹配角切割的β-BBO晶体(θ＝19.9°，Ф＝0°)。利用976nm半导体激光端面泵浦即可得到800nm腔内倍频激光。也可以将激光腔输入和输出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Er³⁺离子掺杂的YbAl₃(BO₃)₄激光晶体实现760nm腔内倍频激光输出。

利用熔盐法生长掺杂1.5at.％Er³⁺的YbAl₃(BO₃)₄激光晶体。在976nm处，激光晶体对平行于光轴入射的泵浦光的吸收系数约为120cm^-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130μm(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。激光腔输入介质膜片在976nm波长附近透过率T＝90％，在1.5-1.6μm波段处透过率T＝0.1％，在750-810nm波段处透过率T＝0.1％，激光腔输出介质膜片在1.5-1.6μm波段处透过率T＝4％，在750-810nm波段处透过率T＝80％。在激光晶体和激光腔输出介质膜之间加入沿倍频1520nm激光的I类相位匹配角切割的β-BBO晶体(θ＝19.8°，Ф＝0°)。利用976nm半导体激光端面泵浦即可得到760nm腔内倍频激光。也可以将激光腔输入和输出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Er³⁺离子掺杂的YbAl₃(BO₃)₄激光晶体实现被动调Q腔内倍频800nm脉冲激光输出。

直接将1.5-1.6μm波段的被动调Q片(如Co²⁺:MgAl₂O₄，Co²⁺:ZnSe，Cr²⁺:ZnSe等)插入实例1中激光晶体和非线性光学晶体之间，利用976nm半导体激光端面泵浦即可实现800nm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，再将被动调Q片的另一个端面和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分别镀上激光腔输入和输出介质膜，利用976nm半导体激光端面泵浦也可输出800nm被动调Q脉冲激光。

实例4：976nm半导体激光端面泵浦Er³⁺离子掺杂的YbAl₃(BO₃)₄激光晶体实现760-800nm可调谐激光输出。

直接将1.5-1.6μm波段的波长调谐元件(双折射滤光片、光栅或棱镜等)插入实例2中激光晶体和非线性光学晶体之间，利用976nm半导体激光端面泵浦即可实现760-800nm调谐激光输出。

Claims

1.一种腔内倍频750-810nm波段固体激光器，是由红外激光泵浦系统、激光腔、Er³⁺离子掺杂激光晶体以及用作倍频1.5-1.6μm波段激光的非线性光学晶体组成，其特征在于：该激光器中的激光晶体为Er_xYb_(1-x)Al₃(B0₃)₄晶体，其中x＝0.1～5.0mol％；红外激光泵浦系统可利用976nm附近波长的红外激光；激光腔由输入和输出介质膜片组成；激光腔输入介质膜片设计为在976nm波长附近透过率T≥70％，在1.5-1.6μm波段处透过率T≤1％，在750-810nm波段处透过率T≤1％；激光腔输出介质膜片设计为在1.5-1.6μm波段处透过率T≤5％，在750-810nm波段处透过率T≥70％；沿倍频1.5-1.6μm波段激光的相位匹配方向切割的非线性光学晶体位于激光晶体和激光腔输出介质膜之间。

2.如权利要求1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如权利要求1所述的激光腔输入和输出介质膜。

3.如权利要求2所述的激光器，其特征在于：将所述的激光晶体与所述的非线性光学晶体分开。

4.一种750-810nm波段固体脉冲激光器，其特征在于：在权利要求1所述的激光器的激光晶体和非线性光学晶体之间插入1.5-1.6μm波段的调Q或锁模元件，输出750-810nm波段脉冲激光。

5.如权利要求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，再将调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，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如权利要求1所述的激光腔输入和输出介质膜。

6.如权利要求5所述的激光器，其特征在于：将所述的激光晶体，所述的调Q或锁模元件和所述的非线性光学晶体分开。

7.如权利要求4，5和6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。

8.一种750-810nm波段可调谐固体激光器，其特征在于：在权利要求1所述的激光器的激光晶体和非线性光学晶体之间插入1.5-1.6μm波段的波长调谐元件，输出750-810nm波段可调谐激光。

9.如权利要求8所述的激光器，其特征在于：将如权利要求1所述的激光腔输入介质膜镀在所述的激光晶体的背向波长调谐元件的端面上，将如权利要求1所述的激光腔输出介质膜镀在所述的非线性光学晶体的背向波长调谐元件的端面上。