CN103001116A - 一种1.5-1.6微米波段激光器 - Google Patents

Abstract

一种1.5-1.6微米波段激光器，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，通过优化晶体中铒离子的掺杂浓度，利用976nm附近波段的红外激光泵浦，可实现高效的1.5-1.6μm波段固体激光输出。

Description

一种1.5-1.6微米波段激光器

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。

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。

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，通过控制晶体中Er³⁺离子的浓度，实现高效和高功率的1.5-1.6μm波段激光输出。

本发明包括如下技术方案：

1.一种输出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_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％；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或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。

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效率的1.5-1.6μm波段固体激光，而且可以使器件更加微型化、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1600nm固体激光输出

利用熔盐法生长掺杂1.0at.％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％，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976nm半导体激光端面泵浦即可得到功率高于1.5W的1600nm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2：976nm半导体激光端面泵浦Er³⁺离子掺杂的YbAl₃(BO₃)₄激光晶体实现1550nm固体激光输出

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％，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976nm半导体激光端面泵浦即可得到功率高于2W的1550nm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3：976nm半导体激光端面泵浦Er³⁺离子掺杂的YbAl₃(BO₃)₄激光晶体实现1550nm被动调Q脉冲激光输出

直接将被动调Q片(如Co²⁺:MgAl₂O₄，Co²⁺:ZnSe，Cr²⁺:ZnSe等)插入实例2中激光晶体和激光腔输出介质膜之间，利用976nm半导体激光端面泵浦即可实现1550nm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976nm半导体激光端面泵浦也可输出1550nm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1550nm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976nm半导体激光端面泵浦即可实现1550nm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976nm半导体激光端面泵浦也可输出1550nm主动调Q脉冲激光。

实例5：976nm半导体激光端面泵浦Er³⁺离子掺杂的YbAl₃(BO₃)₄激光晶体实现1550-1600nm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中激光晶体和激光腔输出介质膜之间，利用976nm半导体激光端面泵浦即可实现1550-1600nm调谐激光输出。

Claims (7)

1.一种5-1.6μm波段激光器，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_xYb_(1-x)Al₃(BO₃)₄晶体，其中x＝0.1～5.0mol％；红外激光泵浦系统利用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％；激光腔输出介质膜片设计为在1.5-1.6μm波段处透过率0.5％≤T≤10％。

2.如权利要求1所述的激光器，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。

4.如权利要求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权利要求1所述的激光腔输入和输出介质膜。

5.如权利要求4所述的激光器，其特征在于：将所述的激光晶体与所述的调Q或锁模元件分开。

6.如权利要求3或4或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波段可调谐激光器，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。