CN107591670B - 一种双掺晶体激光产生方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双掺晶体激光产生方法及装置，属于全固态激光领域。该方法包括：采用940nm泵浦光或者940nm和808nm泵浦光同时泵浦钕镱双掺晶体，Yb³⁺吸收能量之后，大部分Yb³⁺通过共振转移使Nd³⁺跃迁到其激光上能级，获得1064nm激光输出；剩余的未参与共振转移的Yb³⁺在1064nm激光振荡的牵引下也可获得产生1064nm激光输出。该装置包括：谐振腔(1)包括相对设置的全反腔镜(11)和耦合腔镜(12)以及由两者限定的空间,钕镱双掺晶体(2)设置在谐振腔(1)内，泵浦光源(3)设置在谐振腔(1)的输入端或者侧面，包括至少一台940nm泵浦光源(31)，用于端面泵浦或侧面泵浦钕镱双掺晶体(2)。本发明量子亏损小，热效应低，可获得高功率高效率的1064nm激光输出。

Description

一种双掺晶体激光产生方法及装置

技术领域

本发明属于全固态激光领域，特别涉及一种双掺晶体激光产生方法及装置。

背景技术

1064nm激光被越来越广泛的应用，Nd³⁺是最早用于激光器中的三价稀土离子，目前，它仍是该族中最重要的元素，现在，至少已经在100种不同的掺有这种离子的基质材料中获得了受激发射，而且从钕激光器获得的功率较高，大于任何其它四能级材料。Nd³⁺的主要基质材料是YAG和玻璃，其中YAG具有优良的光学，热力学，机械加工特性和化学稳定性等，其立方结构也有利于产生窄的荧光谱线，从而实现高增益，低阈值的激光运转。这些基质材料在中心为946nm、1064nm和1320nm的三种跃迁中，可获得若干频率不同的受激发射，其中以1064nm处的荧光谱线最强。这些波长的辐射分别来自⁴F_3/2→⁴I_9/2、⁴I_11/2、⁴I_13/2跃迁，⁴F_3/2向⁴I_9/2的跃迁属三能级系统，阈值高，只有在低温下才能实现激光振荡。⁴F_3/2向⁴I_11/2和⁴I_13/2的跃迁都属四能级系统，阈值低，易于实现激光振荡。现有技术中，通常采用808nm泵浦光泵浦掺Nd:YAG，获得1064nm激光输出，然而，该方法量子亏损大，热效应严重，高功率输出受到限制。

Yb³⁺电子构型仅有两个电子态:基态²F_7/2和激发态²F_5/2，Yb³⁺晶体和Nd³⁺晶体相比，上能级寿命是它的3～4倍，有利于储能，加之Yb³⁺的能级结构比较简单，所以不会有附加效应产生，例如：激发态吸收、浓度猝灭等，而且可以高浓度掺杂。在掺Yb³⁺的激光Yb:YAG晶体或陶瓷中由于具有大的晶场分裂能，优异的光学和热力学性能，使用940nm泵浦，量子亏损小，热效应低，可进行较高的浓度掺杂等特点而成为最具有发展潜力的掺Yb³⁺激光材料之一。Yb³⁺可输出1020-1150nm的激光(包含目标激光1064nm)，其中以1030nm处的荧光谱线最强，同时，Yb³⁺对1030-1050nm激光有吸收，但对1064nm无吸收，损耗小，可获得1064nm激光输出。但是Yb³⁺的激发态向基态的跃迁属于三能级系统，阈值高，不容易实现1064nm激光振荡。

综上所述，现有技术存在如下缺点：

采用808nm泵浦光泵浦掺Nd:YAG，获得1064nm激光输出，量子亏损大，热效应严重，高功率输出受到限制。

采用940nm泵浦光泵浦掺Yb³⁺的激光Yb:YAG，可降低量子亏损，减小热效应，但由于Yb³⁺的激发态向基态的跃迁属于三能级系统，阈值高，不容易实现1064nm激光振荡。

因此，如何提供一种量子亏损小，高功率高效率的1064nm激光输出是本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种双掺晶体激光产生方法及装置，通过采用940nm的泵浦光泵浦钕镱双掺晶体，结合Nd³⁺和Yb³⁺的优点，补其不足，降低了量子亏损，减小了热效应，同时获得高功率高效率的1064nm输出。

为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种双掺晶体激光产生方法，采用940nm泵浦光端面泵浦或侧面泵浦钕镱双掺晶体，产生1064nm激光输出。采用940nm泵浦光泵浦钕镱双掺晶体，Yb³⁺吸收940nm泵浦光后，跃迁到其激光上能级，大部分的Yb³⁺通过与Nd^{3 +}之间的共振转移使Nd³⁺跃迁到其激光上能级，获得1064nm激光输出；剩余的未参与共振转移的Yb³⁺在1064nm振荡的牵引下也产生1064nm激光，巧妙地利用了Yb³⁺对1030-1050nm激光有吸收，但对1064nm激光不吸收，损耗低的特性，提高了Yb³⁺获得1064nm激光输出的效率。采用940nm泵浦光端面泵浦或侧面泵浦钕镱双掺晶体，通过Yb³⁺与Nd³⁺相结合，克服了Nd³⁺利用808nm泵浦光产生1064nm激光输出时，量子亏损大，热效应严重，高功率输出受到限制的缺陷；同时提高了Yb³⁺获得1064nm激光输出的效率，克服了Yb³⁺因的激发态向基态的跃迁属于三能级系统，阈值高，不容易实现1064nm激光振荡的缺陷，从而获得高功率高效率的1064nm输出。

进一步，采用940nm泵浦光和808nm泵浦光同时端面泵浦或侧面泵浦泵浦钕镱双掺晶体，获得1064nm激光输出。采用940nm泵浦光和808nm泵浦光同时端面泵浦或侧面泵浦钕镱双掺晶体，Nd³⁺通过吸收808nm泵浦光和共振转移后，跃迁到其激光上能级，因Nd³⁺属于四能级激光系统，其阈值比Yb³⁺低，在谐振腔内先产生1064激光振荡；剩余的未参与共振转移的Yb³⁺在1064nm振荡的牵引下也产生1064nm激光，巧妙地利用了Yb³⁺对1030-1050nm激光有吸收，但对1064nm激光不吸收，损耗低的特性，提高了Yb³⁺获得1064nm激光输出的效率。采用940nm泵浦光和808nm泵浦光同时端面泵浦或侧面泵浦钕镱双掺晶体，通过Yb³⁺与Nd³⁺相结合，克服了Nd³⁺利用808nm泵浦光产生1064nm激光输出时，量子亏损大，热效应严重，高功率输出受到限制的缺陷；同时提高了Yb³⁺获得1064nm激光输出的效率，克服了Yb³⁺因的激发态向基态的跃迁属于三能级系统，阈值高，不容易实现1064nm激光振荡的缺陷，从而获得高功率高效率的1064nm输出。

进一步，所述钕镱双掺晶体中Yb³⁺与Nd³⁺的掺杂浓度比例范围为：6-12倍。

进一步，所述钕镱双掺晶体中Nd³⁺的掺杂浓度范围为：0.6at.％-1.2at.％。所述钕镱双掺晶体中Yb³⁺的掺杂浓度范围为：3.6at.％-14.4at.％。Yb³⁺的高浓度掺杂，有利于Yb³⁺吸收能量，将更多的能量通过共振转移给Nd³⁺，提高了1064nm激光的输出功率和输出效率。

进一步，当泵浦光泵浦所述钕镱双掺晶体时,将所述钕镱双掺晶体的温度控制在10℃～60℃，有利于Yb³⁺吸收能量，增加Yb³⁺的迁移率，将更多的能量通过共振转移给Nd³⁺，提高了1064nm激光的输出功率和输出效率。

进一步，所述钕镱双掺晶体的基质为钇铝石榴石(Y₃Al₅O₁₂YAG)、玻璃、钆镓石榴石(Gd₃Ga₅O₁₂GGG)、钆钪铝石榴石(Gd₃Sc₂Al₃O₁₂GSGG)、钇正态氧化铝(YAlO₃YAlO/YAP)、正钒酸钇(YVO₄)、氟化钇(YLiF₄YLF)中的一种。

根据本发明的另一个方面，提供了一种双掺晶体激光产生装置，包括：

谐振腔，包括相对设置的全反腔镜和耦合腔镜以及由所述全反腔镜和耦合腔镜限定的空间，用于形成激光振荡；

钕镱双掺晶体，设置在所述谐振腔内，位于所述全反腔镜与耦合腔镜之间，用于产生1064nm激光输出；

泵浦光源，设置在所述谐振腔的输入端，包括至少一台940nm泵浦光源，用于端面泵浦所述钕镱双掺晶体。

进一步，所述泵浦光源包括至少一台940nm泵浦光源和至少一台808nm泵浦光源,用于产生940nm泵浦光和808nm泵浦光，同时泵浦所述钕镱双掺晶体。

进一步，所述全反腔镜远离所述钕镱双掺晶体的一面镀0度940nm和808nm高透过率膜，靠近钕镱双掺晶体的一面镀0度940nm和808nm高透过率膜，以及0度1064nm高反射率膜。

根据本发明的又一个方面，提供了一种双掺晶体激光产生装置，包括：

谐振腔，包括相对设置的全反腔镜和耦合腔镜以及由所述全反腔镜和耦合腔镜限定的空间，用于形成激光振荡；

钕镱双掺晶体，设置在所述谐振腔内，位于所述全反腔镜与耦合腔镜之间，用于产生1064nm激光输出；

泵浦光源，设置在所述谐振腔的侧面，包括至少一台940nm泵浦光源，用于侧面泵浦所述钕镱双掺晶体。

进一步，所述泵浦光源包括设置在所述谐振腔同一侧的至少一台940nm泵浦光源和至少一台808nm泵浦光源，用于产生940nm泵浦光和808nm泵浦光，同时泵浦所述钕镱双掺晶体。

进一步，所述泵浦光源包括分别设置在所述谐振腔两侧的至少一台940nm泵浦光源和至少一台808nm泵浦光源，用于产生940nm泵浦光和808nm泵浦光，同时泵浦所述钕镱双掺晶体。

进一步，所述全反腔镜远离所述钕镱双掺晶体的一面不镀膜，靠近所述钕镱双掺晶体的一面镀0度1064nm高反射率膜。

进一步，所述耦合腔镜靠近钕镱双掺晶体的一面镀1064nm耦合输出率为15％～45％的膜，远离钕镱双掺晶体的一面镀0度1064nm高透过率膜。

进一步，所述钕镱双掺晶体中Yb³⁺与Nd³⁺的掺杂浓度比例范围为：6-12倍。

进一步，所述钕镱双掺晶体中Nd³⁺的掺杂浓度范围为：0.6at.％-1.2at.％，Yb³⁺的掺杂浓度范围为：3.6at.％-14.4at.％。

进一步，所述钕镱双掺晶体的基质为钇铝石榴石(Y₃Al₅O₁₂YAG)、玻璃、钆镓石榴石(Gd₃Ga₅O₁₂GGG)、钆钪铝石榴石(Gd₃Sc₂Al₃O₁₂GSGG)、钇正态氧化铝(YAlO₃YAlO/YAP)、正钒酸钇(YVO₄)、氟化钇(YLiF₄YLF)中的一种。

进一步，所述装置还包括：导热装置，其设置在所述钕镱双掺晶体的下方，用于对钕镱双掺晶体进行冷却或加热。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本发明提供的双掺晶体激光产生方法及装置，采用940nm泵浦光端面泵浦或侧面泵浦钕镱双掺晶体，或者采用940nm泵浦光和808nm泵浦光同时端面泵浦或侧面泵浦钕镱双掺晶体，通过Yb³⁺与Nd³⁺相结合，克服了Nd³⁺利用808nm泵浦光产生1064nm激光输出时，量子亏损大，热效应严重，高功率输出受到限制的缺陷；同时提高了Yb³⁺获得1064nm激光输出的效率，克服了因Yb³⁺的激发态向基态的跃迁属于三能级系统，阈值高，不容易实现激光振荡的缺陷，从而获得高功率高效率的1064nm输出。同时，本发明提供的双掺晶体激光产生装置，还具有结构简单，易于实现等优点。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的Nd³⁺和Yb³⁺的能级和共振转移示意图；

图2是本发明实施例三提供的一种双掺晶体激光产生装置示意图；

图3是本发明实施例四提供的一种双掺晶体激光产生装置示意图；

图4是本发明实施例五提供的一种双掺晶体激光产生装置示意图；

图5是本发明实施例六提供的一种双掺晶体激光产生装置示意图；

图6是本发明实施例七提供的一种双掺晶体激光产生装置示意图。

图中，1、谐振腔，11、全反腔镜，12、耦合腔镜，2、钕镱双掺晶体，3、泵浦光源，31、940nm泵浦光源，32、808nm泵浦光源，4、导热装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

为了使得公众能够更好的理解本发明，在对本发明提供的一种双掺晶体激光产生方法及装置进行详细描述之前，首先进行术语定义。

术语定义：

泵浦：即泵，又名帮浦、抽运；与泵不同的是，泵浦一词主要出现于激光领域。是指给激光工作物质提供能量使其形成粒子数反转的过程。

激光的阈值：激光克服损耗实现并维持激光振荡所需要的最低的增益就是激光的阈值。

端面泵浦：泵浦光源通过光纤传导照射晶体出光端面。

侧面泵浦：泵浦光源成环形包裹住晶体激励泵浦。

高透：高透射率。

高反：高反射率。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的Nd³⁺和Yb³⁺的能级和共振转移示意图。

本实施例提供一种双掺晶体激光产生方法，采用940nm泵浦光泵浦钕镱双掺晶体，产生1064nm激光输出。

请参照图1，在本实施例中，采用940nm泵浦光端面泵浦或侧面泵浦钕镱双掺晶体，Yb³⁺吸收940nm的泵浦光后，从基态²F_7/2跃迁到激发态²F_5/2，大部分的Yb³⁺将能量通过共振转移传递给Nd³⁺，使其处于激发态⁴F_3/2，Nd³⁺再跃迁回落至⁴I_11/2能级，产生1064nm激光输出，克服了Nd³⁺利用808nm泵浦光产生1064nm激光输出时，量子亏损大，热效应严重，高功率输出受到限制的缺陷；剩余的未参与共振转移的Yb³⁺在Nd³⁺产生的1064nm激光振荡的牵引下，通过自己的能级跃迁也会产生1064nm激光输出，事实上Yb³⁺吸收940nm泵浦光，Yb³⁺可输出激光范围1020-1150nm，其中以1030nm处的荧光谱线最强，且Yb³⁺对1030-1050nm激光有吸收，但对1064nm无吸收，由于Nd³⁺属于四能级激光系统，阈值较Yb³⁺的三能级系统更低，会在谐振腔内先产生1064nm激光振荡，抑制1030nm激光振荡，对Yb³⁺输出1064nm激光起到牵引作用，该方法巧妙地利用了Yb³⁺对1064nm激光无吸收，损耗小的特性，提高了Yb³⁺获得1064nm激光输出的效率，同时克服了Yb³⁺因的激发态向基态的跃迁属于三能级系统，阈值高，不容易实现1064nm激光振荡的缺陷。该方法采用940nm泵浦光泵浦钕镱双掺晶体，通过Yb³⁺与Nd³⁺相结合，克服了Nd³⁺利用808nm泵浦光产生1064nm激光输出时，量子亏损大，热效应严重，高功率输出受到限制的缺陷；同时，提高了Yb³⁺获得1064nm激光输出的效率，克服了Yb³⁺因的激发态向基态的跃迁属于三能级系统，阈值高，不容易实现1064nm激光振荡的缺陷，从而获得高功率高效率的1064nm激光输出。

可选的，940nm泵浦光为940nm LD激光。

可选的，940nm泵浦光对钕镱双掺晶体进行端面泵浦。

可选的，940nm泵浦光对钕镱双掺晶体进行侧面泵浦。

本实施列中，钕镱双掺晶体中Yb³⁺与Nd³⁺的掺杂浓度比例范围为：6-12倍。Yb³⁺与Nd³⁺的掺杂浓度比例小于6倍时，Yb³⁺的浓度不够，共振转移的迁移率就低，跃迁到上能级的Nd³⁺就少，获得的1064nm激光就弱；Yb³⁺与Nd³⁺的掺杂浓度比例高于12倍时，YAG基质中掺杂的Yb³⁺离子太多，会导致整个Nd:Yb:YAG材料系统结构不稳定，乃至不能输出激光，称为浓度淬灭。

优选的，钕镱双掺晶体中Yb³⁺与Nd³⁺的掺杂浓度比例为：10倍。

本实施例中，钕镱双掺晶体中Nd³⁺的掺杂浓度范围为：0.6at.％-1.2at.％，Yb³⁺的掺杂浓度范围为：3.6at.％-14.4at.％。Yb³⁺的高浓度掺杂，有利于Yb³⁺吸收能量，将更多的能量通过共振转移给Nd³⁺，提高了1064nm激光的输出功率和输出效率，但YAG基质中掺杂的Yb³⁺离子太多，会导致整个Nd:Yb:YAG材料系统结构不稳定，乃至不能输出激光，因此Yb³⁺的掺杂浓度最好不超过14.4at.％。

优选的,钕镱双掺晶体中Nd³⁺的掺杂浓度为：1at.％，Yb³⁺的掺杂浓度为：10at.％。

本实施例中，当泵浦光泵浦钕镱双掺晶体时,将钕镱双掺晶体的温度控制在10℃～60℃，有利于Yb³⁺吸收能量，增加Yb³⁺的迁移率，将更多的能量通过共振转移给Nd³⁺，提高了1064nm激光的输出功率和输出效率。

优选的,当钕镱双掺晶体的温度为30℃时，1064nm激光的输出功率和输出效率最高。

优选的，钕镱双掺晶体的基质材料为钇铝石榴石Y₃Al₅O₁₂YAG。

可选的，钕镱双掺晶体的基质材料还可以为玻璃、钆镓石榴石Gd₃Ga₅O₁₂GGG、钆钪铝石榴石Gd₃Sc₂Al₃O₁₂GSGG、钇正态氧化铝YAlO₃YAlO/YAP、正钒酸钇YVO₄、氟化钇YLiF₄YLF中的一种。

实施例二

本实施例是在实施例一的基础上做的进一步改进，本实施例中采用940nm泵浦光和808nm泵浦光同时泵浦钕镱双掺晶体，获得1064nm激光输出。

采用940nm泵浦光和808nm泵浦光同时端面泵浦或侧面泵浦钕镱双掺晶体，Nd³⁺通过吸收808nm泵浦光和共振转移后跃迁到其激光上能级，由于Nd³⁺产生1064nm激光为四能级系统，相较于Yb³⁺的三能级系统，有更低的阈值，因此先产生1064nm振荡，对Yb³⁺输出1064nm激光起到牵引作用，有利于Yb³⁺产生1064nm激光输出，克服了Nd³⁺利用808nm泵浦光产生1064nm激光输出时，量子亏损大，热效应严重，高功率输出受到限制的缺陷；未参与共振转移的Yb³⁺在Nd³⁺产生的1064nm激光振荡的牵引下，通过自己的能级跃迁也会产生1064nm激光输出，事实上，Yb³⁺吸收940nm泵浦光，Yb³⁺可输出激光范围1020-1150nm，其中以1030nm处的荧光谱线最强，且Yb³⁺对1030-1050nm激光有吸收，但对1064nm无吸收，由于Nd³⁺在谐振腔内先产生1064nm激光振荡，抑制了1030nm激光振荡，对Yb³⁺输出1064nm激光起到牵引作用，该方法巧妙地利用了Yb³⁺对1064nm激光无吸收，损耗小的特性，提高了Yb³⁺获得1064nm激光输出的效率，同时克服了Yb³⁺因的激发态向基态的跃迁属于三能级系统，阈值高，不容易实现1064nm激光振荡的缺陷。该方法采用940nm泵浦光和808nm泵浦光同时泵浦钕镱双掺晶体，通过Yb³⁺与Nd³⁺相结合，克服了Nd³⁺利用808nm泵浦光产生1064nm激光输出时，量子亏损大，热效应严重，高功率输出受到限制的缺陷；同时，提高了Yb³⁺获得1064nm激光输出的效率，克服了Yb³⁺因的激发态向基态的跃迁属于三能级系统，阈值高，不容易实现1064nm激光振荡的缺陷，从而获得高功率高效率的1064nm激光输出。

可选的，940nm泵浦光和808nm泵浦光对钕镱双掺晶体进行端面泵浦。

可选的，940nm泵浦光和808nm泵浦光对钕镱双掺晶体进行侧面泵浦。

可选的，侧面泵浦时，940nm泵浦光和808nm泵浦光位于钕镱双掺晶体的同一侧。

可选的，侧面泵浦时，940nm泵浦光和808nm泵浦光分别位于钕镱双掺晶体的两侧。

本实施例的其他部分内容与实施例一中相同，在此不再赘述。

实施例三

图2是本发明实施例三提供的一种双掺晶体激光产生装置示意图。

请参照图2，在本实施例中，一种双掺晶体激光产生装置，包括：谐振腔1、钕镱双掺晶体2以及泵浦光源3。

谐振腔1，包括相对设置的全反腔镜11和耦合腔镜12以及由所述全反腔镜11和耦合腔镜12限定的空间，用于形成激光振荡。

钕镱双掺晶体2，设置在谐振腔1内，位于全反腔镜11与耦合腔镜12之间，用于产生1064nm激光输出。

泵浦光源3，设置在谐振腔1的输入端，包括至少一台940nm泵浦光源31，用于产生940nm泵浦光，端面泵浦钕镱双掺晶体2。

可选的，泵浦光源3包括一台940nm泵浦光源31，用于产生940nm LD激光。

本实施例中，全反腔镜11远离钕镱双掺晶体2的一面镀0度940nm和808nm高透过率膜，靠近钕镱双掺晶体2的一面镀0度940nm和808nm高透过率膜，以及0度1064nm高反射率膜。使得全反腔镜11远离钕镱双掺晶体2的一面对940nm泵浦光和808nm泵浦光高透，靠近镱双掺晶体2的一面对940nm泵浦光和808nm泵浦光高透，对1064nm激光高反。

本实施例中，耦合腔镜12靠近钕镱双掺晶体2的一面镀1064nm耦合输出率为15％～45％的膜，远离钕镱双掺晶体2的一面镀0度1064nm高透过率膜。使得耦合腔镜12靠近钕镱双掺晶体2的一面1064nm耦合输出率为15％～45％，远离钕镱双掺晶体2的一面对1064nm激光高透。

可选的，钕镱双掺晶体2中Yb³⁺与Nd³⁺的掺杂浓度比例范围为：6-12倍，Yb³⁺与Nd³⁺的掺杂浓度比例小于6倍时，Yb³⁺的浓度不够，共振转移的迁移率就低，跃迁到上能级的Nd³⁺就少，获得的1064nm激光就弱；Yb³⁺与Nd³⁺的掺杂浓度比例高于12倍时，YAG基质中掺杂的Yb³⁺离子太多，会导致整个Nd:Yb:YAG材料系统结构不稳定，乃至不能输出激光，称为浓度淬灭。

优选的，钕镱双掺晶体2中Yb³⁺与Nd³⁺的掺杂浓度比例为：10倍。

本实施例中，钕镱双掺晶体2中Nd³⁺的掺杂浓度范围为：0.6at.％-1.2at.％，Yb³⁺的掺杂浓度范围为：3.6at.％-14.4at.％。Yb³⁺的高浓度掺杂，有利于Yb³⁺吸收能量，将更多的能量通过共振转移给Nd³⁺，提高了1064nm激光的输出功率和输出效率，但YAG基质中掺杂的Yb³⁺离子太多，会导致整个Nd:Yb:YAG材料系统结构不稳定，乃至不能输出激光，因此Yb³⁺的掺杂浓度最好不超过14.4at.％。

优选的,钕镱双掺晶体中Nd³⁺的掺杂浓度为：1at.％，Yb³⁺的掺杂浓度为：10at.％。

优选的，钕镱双掺晶体2的基质材料为钇铝石榴石Y₃Al₅O₁₂YAG。

可选的，钕镱双掺晶体2的基质材料还可以为玻璃、钆镓石榴石Gd₃Ga₅O₁₂GGG、钆钪铝石榴石Gd₃Sc₂Al₃O₁₂GSGG、钇正态氧化铝YAlO₃YAlO/YAP、正钒酸钇YVO₄、氟化钇YLiF₄YLF中的一种。

本实施例中，该双掺晶体激光产生装置还包括：导热装置4，设置在钕镱双掺晶体2的下方，用于将钕镱双掺晶体2的热量带走，或者将热量传递给钕镱双掺晶体2，从而实现对钕镱双掺晶体2进行冷却或加热的目的。将钕镱双掺晶体2的温度控制在10℃～60℃，有利于Yb³⁺吸收能量，增加Yb³⁺的迁移率，将更多的能量通过共振转移给Nd³⁺，提高了1064nm激光的输出功率和输出效率。可选的，导热装置4与温控仪连接，通过温控仪控制导热装置4的温度。可选的，导热装置包括但不限于铜块、铝块。

优选的,当钕镱双掺晶体的温度为30℃时，1064nm激光的输出功率和输出效率最高。

实施例四

图3是本发明实施例四提供的一种双掺晶体激光产生装置示意图。

请参照图3，本实施例是在实施例三的基础上做的进一步改进，本实施例中的泵浦光源3包括至少一台940nm泵浦光源31和至少一台808nm泵浦光源32，用于产生940nm泵浦光和808nm泵浦光，端面泵浦钕镱双掺晶体2。940nm泵浦光31和808nm泵浦光32同时泵浦钕镱双掺晶体2，以获得高功率高效率的1064nm激光输出。

可选的，泵浦光源3包括一台940nm泵浦光源31和一台808nm泵浦光源32。

本实施例的其他组成部分与实施例三相同，在此不再赘述。

实施例五

图4是本发明实施例五提供的一种双掺晶体激光产生装置示意图。

请参照图4，本实施例与实施例三的不同之处在于，泵浦光源3设置的位置不同，相应的全反腔镜11的镀膜不同。

本实施例中，泵浦光源3设置在谐振腔1的侧面，包括至少一台940nm泵浦光源31，用于产生940nm泵浦光，侧面泵浦钕镱双掺晶体2。

可选的，泵浦光源3包括一台940nm泵浦光源31，用于产生940nm LD激光。

本实施例中，全反腔镜11远离钕镱双掺晶体2的一面不镀膜，靠近钕镱双掺晶体2的一面镀0度1064nm高反射率膜。

本实施例的耦合腔镜12的镀膜以及其他组成部分与实施例三相同，在此不再赘述。

实施例六

图5是本发明实施例六提供的一种双掺晶体激光产生装置示意图。

请参照图5，本实施例是在实施例五的基础上做的进一步改进，本实施例中的泵浦光源3包括设置在谐振腔1同一侧的至少一台940nm泵浦光源31和至少一台808nm泵浦光源32，用于产生940nm泵浦光和808nm泵浦光，侧面泵浦钕镱双掺晶体2。940nm泵浦光和808nm泵浦光同时泵浦钕镱双掺晶体2，以获得高功率高效率的1064nm激光输出。

可选的，泵浦光源3包括一台940nm泵浦光源31和一台808nm泵浦光源32。

本实施例的其他组成部分与实施例五相同，在此不再赘述。

实施例七

图6是本发明实施例七提供的一种双掺晶体激光产生装置示意图。

请参照图6，本实施例与实施例六的不同之处在于，泵浦光源3的设置位置不同。

本实施例中，泵浦光源3包括分别设置在谐振腔1两侧的至少一台940nm泵浦光源31和至少一台808nm泵浦光源32，用于产生940nm泵浦光和808nm泵浦光，侧面泵浦钕镱双掺晶体2。940nm泵浦光和808nm泵浦光同时泵浦钕镱双掺晶体2，以获得高功率高效率的1064nm激光输出。

可选的，泵浦光源3包括一台940nm泵浦光源31和一台808nm泵浦光源32。

本实施例的其他组成部分与实施例六相同，在此不再赘述。

本发明旨在保护一种双掺晶体激光产生方法及装置，采用940nm泵浦光端面泵浦或侧面泵浦钕镱双掺晶体，或者采用940nm泵浦光和808nm泵浦光同时端面泵浦或侧面泵浦钕镱双掺晶体，通过Yb³⁺与Nd³⁺相结合，克服了Nd³⁺利用808nm泵浦光产生1064nm激光输出时，量子亏损大，热效应严重，高功率输出受到限制的缺陷；巧妙地利用了Yb³⁺对输出的1030-1050nm激光有吸收，但对1064nm激光不吸收，损耗低的特性，提高了Yb³⁺获得1064nm激光输出的效率，同时克服了Yb³⁺因的激发态向基态的跃迁属于三能级系统，阈值高，不容易实现1064nm激光振荡的缺陷，可获得高功率高效率的1064nm激光输出。同时，本发明提供的双掺晶体激光产生装置，还具有结构简单，易于实现等优点。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种双掺晶体激光产生方法，其特征在于，

采用940nm泵浦光端面泵浦或侧面泵浦Yb³⁺与Nd³⁺的掺杂浓度比例范围为6-12倍的钕镱双掺晶体，产生1064nm激光输出；

所述钕镱双掺晶体中Nd³⁺的掺杂浓度范围为：0.6at.％-1.2at.％，Yb³⁺的掺杂浓度范围为：3.6at.％-14.4at.％。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用940nm泵浦光和808nm泵浦光同时端面泵浦或侧面泵浦钕镱双掺晶体，获得1064nm激光输出。

3.根据权利要求1-2任一项所述的方法，其特征在于，

当泵浦光泵浦所述钕镱双掺晶体时,将所述钕镱双掺晶体的温度控制在10℃～60℃。

4.根据权利要求1-2任一项所述的方法，其特征在于，

所述钕镱双掺晶体的基质为钇铝石榴石(Y₃Al₅O₁₂ YAG)、玻璃、钆镓石榴石(Gd₃Ga₅O₁₂GGG)、钆钪铝石榴石(Gd₃Sc₂Al₃O₁₂ GSGG)、钇正态氧化铝(YAlO₃ YAlO/YAP)、正钒酸钇(YVO₄)、氟化钇(YLiF₄ YLF)中的一种。

5.一种双掺晶体激光产生装置，其特征在于，包括：

谐振腔(1)，包括相对设置的全反腔镜(11)和耦合腔镜(12)以及由所述全反腔镜(11)和耦合腔镜(12)限定的空间；

钕镱双掺晶体(2)，设置在所述谐振腔(1)内，位于所述全反腔镜(11)与耦合腔镜(12)之间；所述钕镱双掺晶体(2)中Yb³⁺与Nd³⁺的掺杂浓度比例范围为6-12倍；所述钕镱双掺晶体中Nd³⁺的掺杂浓度范围为：0.6at.％-1.2at.％，Yb³⁺的掺杂浓度范围为：3.6at.％-14.4at.％；

泵浦光源(3)，设置在所述谐振腔(1)的输入端，包括至少一台940nm泵浦光源(31)，用于端面泵浦所述钕镱双掺晶体(2)，以产生1064nm激光输出。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，

所述泵浦光源(3)包括至少一台940nm泵浦光源(31)和至少一台808nm泵浦光源(32),用于产生940nm泵浦光和808nm泵浦光，同时泵浦所述钕镱双掺晶体(2)。

7.一种双掺晶体激光产生装置，其特征在于，包括：

谐振腔(1)，包括相对设置的全反腔镜(11)和耦合腔镜(12)以及由所述全反腔镜(11)和耦合腔镜(12)限定的空间；

钕镱双掺晶体(2)，设置在所述谐振腔(1)内，位于所述全反腔镜(11)与耦合腔镜(12)之间；所述钕镱双掺晶体(2)中Yb³⁺与Nd³⁺的掺杂浓度比例范围为6-12倍；所述钕镱双掺晶体中Nd³⁺的掺杂浓度范围为：0.6at.％-1.2at.％，Yb³⁺的掺杂浓度范围为：3.6at.％-14.4at.％；

泵浦光源(3)，设置在所述谐振腔(1)的侧面，包括至少一台940nm泵浦光源(31)，用于侧面泵浦所述钕镱双掺晶体(2)，以产生1064nm激光输出。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，

所述泵浦光源(3)包括设置在所述谐振腔(1)同一侧的至少一台940nm泵浦光源(31)和至少一台808nm泵浦光源(32)；

或者，

所述泵浦光源(3)包括分别设置在所述谐振腔(1)两侧的至少一台940nm泵浦光源(31)和至少一台808nm泵浦光源(32)。

9.根据权利要求5-8任一项所述的装置，其特征在于，

所述钕镱双掺晶体(2)的基质为钇铝石榴石(Y₃Al₅O₁₂ YAG)、玻璃、钆镓石榴石(Gd₃Ga₅O₁₂ GGG)、钆钪铝石榴石(Gd₃Sc₂Al₃O₁₂ GSGG)、钇正态氧化铝(YAlO₃ YAlO/YAP)、正钒酸钇(YVO₄)、氟化钇(YLiF₄ YLF)中的一种。

10.根据权利要求5-8任一项所述的装置，其特征在于，还包括：导热装置(4)，其设置在所述钕镱双掺晶体(2)的下方。

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