CN103490275A

CN103490275A - 基于键合晶体的1.5至1.6微米波段及其变频激光器

Info

Publication number: CN103490275A
Application number: CN201310438019.XA
Authority: CN
Inventors: 陈雨金; 黄艺东; 林炎富; 黄建华; 龚兴红; 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: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2014-01-01

Abstract

一种以键合晶体作为增益介质的1.5至1.6微米波段及其变频激光器，属于固体激光材料和器件领域。利用纯的四硼酸铝盐RAl₃(BO₃)₄基质晶体具有热导率高和有效非线性光学系数大的特点，将其与铒镱双掺四硼酸铝盐激光晶体能够实现1.5至1.6微米波段激光高效运转的优点结合起来，通过扩散键合技术使基质晶体和激光晶体结合成键合晶体，采用976纳米附近波长的近红外激光泵浦，实现高光束质量和高功率的1.5至1.6微米波段及其变频激光输出。

Description

基于键合晶体的1.5至1.6微米波段及其变频激光器

技术领域

本发明涉及固体激光材料和器件领域。

背景技术

把一块激光晶体和一块或两块纯的同质基底材料通过扩散键合成为稳固结合的整体即为键合晶体。由于同质基底材料起到热沉的作用，有利于激光晶体更好地散热，可有效改善激光晶体中心和侧面的温度梯度，减小由端面变形引起的热透镜效应，有利于实现高功率和高光束质量激光的稳定运转。目前，广泛采用的同质基底材料主要是具有高热导率的纯YAG和YVO₄晶体。利用这些晶体与掺Nd³⁺、Yb³⁺或者Tm³⁺的同质激光晶体键合，可以实现1.0和2.0微米波段的高功率连续激光运转。

采用Er³⁺和Yb³⁺双掺晶体作为增益介质是一种获得高性能1.5至1.6微米波段激光的有效方法。然而，研究发现利用Er³⁺和Yb³⁺双掺的YAG和YVO₄晶体作为增益介质，均难以实现高效的1.5至1.6微米波段激光运转。因此，也就没有相应的键合晶体以实现1.5至1.6微米波段的高功率连续激光。

Er³⁺和Yb³⁺双掺的四硼酸铝盐RAl₃(BO₃)₄（Er:Yb:RAB，R=Y，Gd和Lu等）晶体已经被证明是一种可以实现1.5至1.6微米波段激光高效运转的增益介质。然而，该类晶体在泵浦过程中产生较多的热量，可引起严重的晶体热效应。尽管纯的RAB晶体具有高的热导率（约12Wm^-1K^-1，Cryst.Growth Des.,2011,11(11),pp5048-5052），但是该值随晶体中Yb³⁺离子掺杂浓度的增加而显著降低（5.6at.%Yb:YAB晶体热导率仅为4.7Wm^-1K^-1，Appl.Phys.B,2003,76(3),pp289-292）。而要实现高效的1.5至1.6微米波段激光运转，Er:Yb:RAB晶体中Yb³⁺离子的掺杂浓度必须足够高（大约10at.%以上）。因此，Er:Yb:RAB激光晶体的热导率无法有效减小晶体中的温度梯度，从而限制了1.5至1.6微米波段激光的连续输出功率和光束质量。如果将纯RAB晶体与Er:Yb:RAB激光晶体键合在一起，利用具有高热导率的RAB晶体作为热沉，就可以大大提高1.5至1.6微米波段激光的连续输出功率和光束质量。另外，纯RAB晶体还是一种非常优秀的非线性光学晶体。因此，如果将RAB晶体按照一定的变频相位匹配角切割，还可以利用它们将基频激光通过倍频或和频过程获得变频激光输出。

发明内容

本发明的目的是利用纯的四硼酸铝盐晶体具有热导率高和有效非线性光学系数大的特点，将其与铒镱双掺四硼酸铝盐激光晶体能够实现1.5至1.6微米波段激光高效运转的优点结合起来，克服目前已有材料的不足，实现高光束质量和高功率的1.5至1.6微米波段及其变频激光输出。

本发明包括如下技术方案：

1.一种基于键合晶体的1.5至1.6微米波段固体激光器，是由976纳米附近波长的近红外激光泵浦系统、镀上介质膜的激光输入和输出腔镜以及置于输入和输出腔镜间的激光增益介质所组成。其特征在于：该激光器中的激光增益介质为纯的RAl₃(BO₃)₄基质晶体和铒镱双掺的RAl₃(BO₃)₄激光晶体通过扩散键合技术结合在一起的键合晶体，其中R为Sc、Y、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的组合；铒镱双掺的RAl₃(BO₃)₄激光晶体中铒离子掺杂浓度为0.5～2.0at.%，镱离子掺杂浓度为10～30at.%；基质晶体可以键合在激光晶体的一个端面，也可以同时键合在激光晶体的两个端面。

2.一种基于键合晶体的变频固体激光器。其特征在于：将项1所述的基质晶体和激光晶体均按照其变频相位匹配角进行切割；激光输入和输出腔镜镀上适合变频激光运转的介质膜。

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

4.一种1.5至1.6微米波段及其变频脉冲激光器。其特征在于：在项1和2所述的激光器的键合晶体和激光输出腔镜之间插入1.5至1.6微米波段的调Q或锁模元件，输出1.5至1.6微米波段及其变频脉冲激光。

5.如项4所述的激光器。其特征在于：将所述的键合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，在键合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激光输入和输出腔镜介质膜。

6.如项5所述的激光器。其特征在于：将所述的键合晶体与所述的调Q或锁模元件分开。

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1.5至1.6微米波段及其变频固体激光，而且可以使器件紧凑和稳定可靠，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Er:Yb:YAl₃(BO₃)₄/YAl₃(BO₃)₄（Er:Yb:YAB/YAB）键合晶体实现1600nm连续激光输出。

将纯的YAB基质晶体和共掺15at.%Yb³⁺离子、0.9at.%Er³⁺离子的YAB激光晶体分别切割成5×5×3mm³和5×5×0.6mm³的c切晶片（短边为晶体光轴方向），并将晶体端面进行激光级抛光处理。然后将基质晶体和激光晶体的两个大面（5×5mm²）进行扩散键合，使其紧密结合在一起形成键合晶体。随后将键合晶体固定在铜基座上并置于激光腔中。激光输入腔镜介质膜在976nm波长处透过率T≥90%，在1.5至1.6μm波段处透过率T≤0.1%，激光输出腔镜介质膜在1.5至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2W的1600nm连续激光输出。也可以将激光输入和输出腔镜介质膜分别镀在键合晶体的两个相对端面上，以实现同样的目的。另外，也可以同时将两块基质晶体分别与激光晶体的前后端面均进行扩散键合，使其形成YAB/Er:Yb:YAB/YAB键合晶体，以实现同样的目的。

实例2：976nm半导体激光端面泵浦Er:Yb:YAl₃(BO₃)₄/YAl₃(BO₃)₄（Er:Yb:YAB/YAB）键合晶体实现1600nm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1中键合晶体和激光输出腔镜之间，利用976nm半导体激光端面泵浦即可实现1600nm被动调Q脉冲激光输出。或者将键合晶体的一个端面与被动调Q片的一个端面粘贴，再将键合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输入和输出腔镜介质膜，利用976nm半导体激光端面泵浦也可输出1600nm被动调Q脉冲激光。

实例3：976nm半导体激光端面泵浦Er:Yb:YAl₃(BO₃)₄/YAl₃(BO₃)₄（Er:Yb:YAB/YAB）键合晶体实现800nm倍频连续激光输出。

将纯的YAB基质晶体和共掺20at.%Yb³⁺离子、1.1at.%Er³⁺离子的YAB激光晶体分别按1600nm波长处的I类倍频相位匹配角θ=23.4°，φ=0°定向切割成5×5×3mm³和5×5×1mm³的晶片，并将晶体端面进行激光级抛光处理。然后将基质晶体和激光晶体的两个大面（5×5mm²）进行扩散键合，使其紧密结合在一起形成键合晶体。随后将键合晶体固定在铜基座上并置于激光腔中。激光输入腔镜介质膜在976nm波长处透过率T≥90%，在800和1600nm波长处透过率T≤0.1%，激光输出腔镜介质膜在1600nm波长处透过率T≤0.2%，在800nm波长处透过率T≥80%。利用976nm半导体激光端面泵浦即可实现800nm倍频连续激光输出。也可以将激光输入和输出腔镜介质膜分别镀在键合晶体的两个相对端面上，以实现同样的目的。另外，也可以同时将两块基质晶体分别与激光晶体的前后端面均进行扩散键合，使其形成YAB/Er:Yb:YAB/YAB键合晶体，以实现同样的目的。

实例4：976nm半导体激光端面泵浦Er:Yb:YAl₃(BO₃)₄/YAl₃(BO₃)₄（Er:Yb:YAB/YAB）键合晶体实现800nm倍频脉冲激光输出。

直接将被动调Q片（如Co²⁺:MgAl₂O₄，Co²⁺:ZnSe，Cr²⁺:ZnSe等）插入实例3中键合晶体和激光输出腔镜之间，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。或者将键合晶体的一个端面与被动调Q片的一个端面粘贴，再将键合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输入和输出腔镜介质膜，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5：976nm半导体激光端面泵浦Er:Yb:YAl₃(BO₃)₄/YAl₃(BO₃)₄（Er:Yb:YAB/YAB）键合晶体实现606nm和频连续激光输出。

将实例3中的基质晶体和激光晶体分别按1600和976nm波长处的I类和频相位匹配角θ=27.1°，φ=0°定向切割成5×5×3mm³和5×5×1mm³的晶片，并将晶体端面进行激光级抛光处理。然后将基质晶体和激光晶体的两个大面（5×5mm²）进行扩散键合，使其紧密结合在一起形成键合晶体。随后将键合晶体固定在铜基座上并置于激光腔中。激光输入腔镜介质膜在976nm波长处透过率T≥90%，在606和1600nm波长处透过率T≤0.1%，激光输出腔镜介质膜在976和1600nm波长处透过率T≤0.2%，在606nm波长处透过率T≥80%。利用976nm半导体激光端面泵浦即可实现606nm和频连续激光输出。也可以将激光输入和输出腔镜介质膜分别镀在键合晶体的相对两个端面上，以实现同样的目的。另外，也可以同时将两块基质晶体分别与激光晶体的前后端面均进行扩散键合，使其形成YAB/Er:Yb:YAB/YAB键合晶体，以实现同样的目的。

实例6：976nm半导体激光端面泵浦Er:Yb:LuAl₃(BO₃)₄/LuAl₃(BO₃)₄（Er:Yb:LuAB/LuAB）键合晶体实现1550nm连续激光输出。

将纯的LuAB基质晶体和共掺25at.%Yb³⁺离子、1.3at.%Er³⁺离子的LuAB激光晶体分别切割成5×5×3mm³和5×5×0.6mm³的c切晶片（短边为晶体光轴方向），并将晶体端面进行激光级抛光处理。然后将基质晶体和激光晶体的两个大面（5×5mm²）进行扩散键合，使其紧密结合在一起形成键合晶体。随后将键合晶体固定在铜基座上并置于激光腔中。激光输入腔镜介质膜在976nm波长处透过率T≥90%，在1.5至1.6μm波段处透过率T≤0.1%，激光输出腔镜介质膜在1.5至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3W的1550nm连续激光输出。也可以将激光输入和输出腔镜介质膜分别镀在键合晶体的相对两个端面上，以实现同样的目的。另外，也可以同时将两块基质晶体分别与激光晶体的前后端面均进行扩散键合，使其形成LuAB/Er:Yb:LuAB/LuAB键合晶体，以实现同样的目的。

实例7：976nm半导体激光端面泵浦Er:Yb:LuAl3(BO3)4/LuAl3(BO3)4（Er:Yb:LuAB/LuAB）键合晶体实现1550nm主动调Q脉冲激光输出。

直接将1.5至1.6μm波段的声光调Q模块插入实例6中键合晶体和激光输出腔镜之间，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。或者将键合晶体的一个端面与声光调Q模块的一个端面粘贴，再将键合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输入和输出腔镜介质膜，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。

Claims

1.一种基于键合晶体的1.5至1.6微米波段固体激光器，是由976纳米附近波长的近红外激光泵浦系统、镀上介质膜的激光输入和输出腔镜以及置于输入和输出腔镜间的激光增益介质所组成，其特征在于：该激光器中的激光增益介质为纯的RAl₃(BO₃)₄基质晶体和铒镱双掺的RAl₃(BO₃)₄激光晶体通过扩散键合技术结合在一起的键合晶体，其中R为Sc、Y、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的组合；铒镱双掺的RAl₃(BO₃)₄激光晶体中铒离子掺杂浓度为0.5～2.0at.%，镱离子掺杂浓度为10～30at.%；基质晶体可以键合在激光晶体的一个端面，也可以同时键合在激光晶体的两个端面。

2.一种基于键合晶体的变频固体激光器，其特征在于：将权利要求1所述的基质晶体和激光晶体均按照其变频相位匹配角进行切割；激光输入和输出腔镜镀上适合变频激光运转的介质膜。

3.如权利要求1或2所述的固体激光器，其特征在于：将其中一面或两面激光腔镜介质膜分别直接镀在所述的键合晶体的一个或两个相对端面上。

4.一种1.5至1.6微米波段及其变频脉冲激光器，其特征在于：在权利要求1或2所述的激光器的键合晶体和激光输出腔镜之间插入1.5至1.6微米波段的调Q或锁模元件，输出1.5至1.6微米波段及其变频脉冲激光。

5.如权利要求4所述的激光器，其特征在于：将所述的键合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，在键合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激光输入和输出腔镜介质膜。

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