CN1047765A

CN1047765A - 用四硼酸铝钇钕单晶体制造的激光器件

Info

Publication number: CN1047765A
Application number: CN 89103818
Authority: CN
Inventors: 邱闽旺; 黄奕川; 江爱栋; 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: 1989-06-01
Filing date: 1989-06-01
Publication date: 1990-12-12
Also published as: CN1016302B

Abstract

本发明阐述一种具有激光和非线性效应复合功能的小型激光器件。器件中使用的自倍频激光晶体为NYAB[NdxYi-xAl₃(BO₃)₄](X取0.03-0.08)单晶体，阈值低、效率高，用普通闪光灯或激光二极管作为泵浦源即能把自身发射的1.320μm和1.064μm的基波激光分别倍频为0.660μm和0.532μm的可见激光。该器件涉及的光学元件加工精度要求不苛刻。

Description

本发明阐述一种用具有激光和非线性效应的复合功能材料NdxY_1-XAl₃（BO₃）₄（X＝0.03-0.08）晶体制造的激光器件。

随着激光技术及应用的发展，人们渴望着一种具有激光性能又具有非线性效应的复合功能材料的出现，从而对直接发射可见激光的晶体材料及其器件的研究产生极大的兴趣。七十年代以前，美国和苏联科学家虽报导了在LiNbO₃晶体中掺入Tm³⁺和Nd³⁺离子来获得复合功能晶体的研究工作，并用Nd³⁺∶LiNbO₃晶体开展了自倍频激光实验。但由于这种晶体掺入电价和离子半径不匹配的Nd³⁺后，光学均匀性变差，因而未能进入应用领域。1983年苏联科学家研制成功Nd_0.2Y_0.8Al₃（BO₃）₄复合功能晶体，并实现了从1.32μm到0.66μm的激光自倍频效应。1986年山东大学晶体材料研究所用熔盐法生长出NdxY_1-XAl₃（BO₃）₄（X＝0.05-0.15）晶体，以可调谐染料激光器的587.8nm波长激光作为激励源，实现了该晶体以1.06μm到0.53μm的受激发射和自倍频激光运转，但是，这种用一台本身就能调谐到0.53μm（而且，输出能量较大）的激光器来激励晶体，以得到倍频激光输出的器件，并没有多少实用价值。

本发明者深入研究了这种材料的结构与性能之间的关系，发现它是一种很理想的自倍频激光晶体材料，它的结合能大，使它有很大的硬度也因此有较大的热导率和很好的物理化学稳定性，且不因掺入Nd³⁺产生晶体光学均匀性的降低，又具有弱的浓度猝灭效应，从而允许掺入较多的Nd³⁺离子，这是微小型器件要求有较大的增益系数所必须的。

本发明者根据激光自倍频的具体实验条件，修改了非线性耦合方程，研究了晶体棒长度和Nd³⁺掺杂浓度与倍频效率的关系，确定了X值的范围为X＝0.03-0.08。

本发明的目的是用高效率的激光自倍频晶体材料NYAB即NdxY_1-XAl₃（BO₃）₄制成可供实用的小型激光器件，其主波长在0.532μm处。

本发明的目的是这样来实现的：用NdxY_1-XAl₃（BO₃）₄（X＝0.03-0.08）单晶体做激光自倍频工作物质，用非相干光源或相干光源作泵浦源，产生0.532μm和0.660μm波长的激光。这种非相干光源可以是小型直管灯，或螺旋灯或环形灯，也可以是发光二极管，工作状态可以是脉冲的，也可以是连续的。可以是氙灯，也可以是氪灯。而相干光源是激光光源。可以是单个的，也可以是阵列的;可以是脉冲的，也可以是连续的。可以是激光二极管，也可以是激光二极管阵列。该单晶体可以按Ⅰ类，也可以按Ⅱ类的相匹配方向切割成不同尺寸的激光棒。作为泵浦源的非相干或相干光源可以放在激光棒侧部，也可以放在激光棒的端部。

本发明人经过大量实验研究，发现在NdxY_1-XAl₃（BO₃）₄单晶中，当X值为0.030至0.080时，激光自倍频效应较好，这时生长出了掺Nd³⁺均匀及光学质量好的较大尺寸的晶体，该晶体按第Ⅰ类和第Ⅱ类相匹配方向切割成不同尺寸的激光棒都能产生0.532μm和0.660μm波长的激光输出，其中按第Ⅰ类相匹配方向切割的激光棒的倍频光强约是按第Ⅱ类相匹配方向切割的倍频光强的四倍左右。

NdxY_1-XAl₃（BO₃）₄（X＝0.03-0.08）单晶体的结构属于三方晶系、空间群为R₃₂，负单轴晶。a＝b＝9.293

，c＝7.245

。它存在着两类相匹配方式：Ⅰ类和Ⅱ类，所谓位相匹配是指在晶体的特定方向上基频与倍频光满足相干增强条件，即△ ＝0（K＝ (nω)/(c) ）（其中K为波矢;n为相应波长的折射率;c为光速;ω为圆频率）在同轴位相匹配条件下，基频光与倍频光的传播方向共线，故△K＝0，于是有

（1）对Ⅰ类位相匹配方式（o+o→e）

N^ω _o＝N^2ω _e（θ^Ⅰ _m）

（2）对Ⅱ类位相匹配方式（o+e→e）

N^ω _o+N^ω _e（θ^Ⅱ _m）＝2N^2ω _e（θ^Ⅱ _m）

详细的推导见刘恩泉等人[《光学学报》Vol.7 No.2，p139-142]的报导。该晶体的有效非线性系数为：

X^Ⅰ _eff＝F₂（θ^Ⅰ _m，φ，d₁₁）＝d₁₁Cosθ^Ⅰ _mCos3φ

X^Ⅱ _eff＝F₁（θ^Ⅱ _m，φ，d₁₁）＝d₁₁Cosθ^Ⅱ _mSin3φ

其中d₁₁为该晶体的非线性系数，φ为晶体对a轴的方位角，θm为对C轴的夹角，即Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配角。

并求得：N^ω _o＝1.7553;N^ω _e＝1.6869;

N^2ω _o＝1.7808;N^2ω _e＝1.7050。

θ^Ⅰ _m＝32°54′ θ^Ⅱ _m＝51°2′

且当φ＝n (π)/3 时;X^Ⅰ _eff有极大值

X^Ⅰ _eff＝0.8235d_llX^Ⅱ _eff＝0.4032d₁₁

X^Ⅰ _eff＝2.04X^Ⅱ _eff

由于倍频光强与有效非线性系数的平方成正比，所以，Ⅰ类相匹配的倍频光强是Ⅱ类位相匹配强度的4倍。

本发明者还发现NdxY_1-XAl₃（BO₃）₄（X取0.03-0.08）晶体的物化性能良好，硬度大，不潮解，不解理，能耐强酸强碱，光学均匀性好，抗损伤能力强，有较大的热导率。这是优于LiNbO₃晶体的地方，并且是可以长期正常使用而不会损坏或使性能降低的激光工作物质。同时，其阈值低，可以用普通的闪光灯作为泵浦源。该泵浦源可以是非相干光源，且在588nm、748nm、807nm处附近至少有一处有发射峰，在这上述三个波长附近的发射峰越强，则晶体的工作效率就越高，目前常用的氪灯、氙灯及光谱匹配的激光二极管都是较好的泵浦源。当泵浦源以脉冲方式工作时，出射的激光是脉冲式的;当泵浦源工作方式是连续的，则出射的激光也是连续的。并且随着泵浦能量的增加，激光输出的能量迅速上升。我们已测得激光束的发散角为θ＝2.3mrad，激光输出为线性偏振光，准直性好。

附图说明：

附图1 是实施例一的示意图;

附图2 是实施例二的示意图;

附图3 是实施例三的示意图。

下面再结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。

实施例一：

如附图1的装置，①是NdxY_1-xAl₃（BO₃）₄（X＝0.03-0.08）激光晶体棒;②是直管或环形或螺旋形氙灯;③是对1.06μm和0.53μm全反射的介质镜;④是对1.06μm波长全反射而对0.53μm波长全透过的介质镜;⑤是滤光镜，它对1.06μm波长全反射，对0.53μm波长全透过;⑥是LPE-1A激光能量计;⑦是脉冲激光电源;⑧是聚光腔，为单椭圆腔，激光棒和泵浦光源分别置于其中的一个焦点上。该单椭圆腔的长轴2a＝10mm，短轴为2b＝8.6mm，e＝ (c)/(a) ＝0.51，用黄铜加工，内侧抛光镀银。

LPE-1A能量计用于测量激光输出能量。

如果把脉冲氙闪光灯换成重复率脉冲氙灯或连续发光的氪灯，则可做成重复率或连续的NYAB[NdxY_1-XAl₃（BO₃）₄]固体激光器。这时最好装配冷却装置，如用水冷、风冷或半导体致冷都可达到目的。

实施例二：

如附图2的装置，其中①是NdxY_1-XAl₃（BO₃）₄（X＝0.03-0.08）激光晶体棒;②是发光二极管阵列或激光二极管阵列。在激光棒侧面镀膜，以会聚泵浦光，把聚光腔略去;③是对1.06μm波长和0.53μm波长全反射的介质镜;④是对1.06μm波长全反射对0.53μm波长全透过的介质镜。

实施例三：

如附图3的装置，其中①是NdxY_1-XAl₃（BO₃）₄（X＝0.03-0.08）激光晶体棒;②是高强度发光二极管或激光二极管或激光二极管阵列;③是对1.06μm和0.53μm波长全反射而对8000 -8100

波长范围具有高透过率的介质膜，可直接镀在晶体端面上;④是对1.06μm波长全反射，对0.53μm波长全透过的输出介质镜，也可将介质膜直接镀在该激光棒的端面上;⑤是望远镜系统以调整泵浦光束的孔径及准直度。

需要进一步说明的是对激光棒的要求，平面度小于1/4光圈;光洁度为V级;垂直度小于20秒，平行度小于10秒，这是一般光学精密加工工艺中都能够做到的。

实施例四：

本发明者用φ3mm×25mm脉冲氙灯作为泵浦源激励φ3.5mm×12.16mm的NYAB激光棒，用LPE-1A型激光能量计和Tektronix 466存储示波器等仪器进行参数测量，其具体指标如下：

激光阈值：～57.3mJ

激光输出：～3mJ（调Q）

脉冲宽度（自由振荡）：～100ns（调Q）5-8ns

光束偏振度：＞90%

光束发散度：2mrad（毫弧度）

同时，从示波器拍下激光脉冲波形。

本发明者还用44W平面光栅单色仪测出NYAB发射的绿色激光波长为0.5320μm。

本器件的主要优点在于，能用普通商品化的小闪光灯作为激励源，并且根据不同需要可做成体积小、重量轻、耗电少的小型实用器件，便于带到交通不便的高原、山区及偏僻的乡村中去。本发明者已制成用笔形电池（5号电池）供电的小器件，体积为42mm×72mm×135mm，重量少于400克。

本发明的意义在于研制出一种小型的用非相干光源或相干光源泵浦的发射绿色激光的固体激光器件，并使它在激光医疗、激光全息照相、激光高速摄影等领域获得应用。

进一步要说明的是，本领域的普通技术人员能够用光学均匀性好，按相位匹配方向切割成激光棒的NdxY_1-XAl₃（BO₃）₄（X＝0.03-0.08）晶体设计成其他多种应用领域所需要的激光头，如激光测速场、激光水下通讯、激光钻孔、高空摄影等领域，这些均不可能超出本发明的构思和保护范围。

Claims

1、一种小型固体激光器件，其特征在于：使用[NdxY1-xAl3(BO₃)₄](X取0.03-0.08)单晶体作自倍频激光工作物质，用非相干光源或相干光源作泵浦源，产生0.0532μm和0.660μm波长的激光。

2、如权利要求1所述的小型固体激光器件，其特征在于：所述的[NdxY_1-xAl₃（BO₃）₄]（X＝0.03-0.08）单晶体可以按Ⅰ类或Ⅱ类的相匹配方向切割成不同尺寸的激光棒，产生0.532μm和0.660μm波长的激光。

3、如权利要求1或2所述的小型固体激光器件，其特征在于：作为泵浦源的非相干光源是小型直管灯或螺旋灯或环形灯。

4、如权利要求3所述的小型固体激光器件，其特征在于：所述的非相干光源可以是脉冲的，也可以是连续的。

5、如权利要求1、2、3或4所述的小型固体激光器件，其特征在于：所述非相干光源可以是氙灯，也可以是氪灯或其他光谱匹配的强非相干光源。

6、如权利要求5所述的小型固体激光器件，其特征在于：所述的非相干光源可以置于激光棒的侧面，也可以置于激光棒的端面。

7、如权利要求1、2所述的小型固体激光器件，其特征在于：所述相干光源可以是激光二极管或激光二极管阵列。

8、如权利要求7所述的小型固体激光器件，其特征在于：所述的相干光源可以是脉冲的，也可以是连续的。

9、如权利要求8所述的小型固体激光器件，其特征在于：所述的相干光源可以置于激光棒的侧面，也可以置于激光棒的端面。

10、如权利要求7所述的小型固体激光器件，其特征在于：所述作为泵浦源的相干光源的激光二极管或激光二极管阵列，其发射波长处于7000 -8500 范围，主峰处于7400

-7500

或8000

-8100 处。