CN109217091A - 一种基于钕掺杂钒酸钇与磷酸钛氧钾胶合晶体的单片集成绿光脉冲激光器及制备 - Google Patents

一种基于钕掺杂钒酸钇与磷酸钛氧钾胶合晶体的单片集成绿光脉冲激光器及制备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于钕掺杂钒酸钇与磷酸钛氧钾胶合晶体的单片集成绿光脉冲激光器及制备，应用载能离子束技术与等离子体激元共振效应，采用注入能量为100‑200千电子伏特，注入剂量为(1‑10)×1016ions/cm2银离子，在Nd:YVO4激光晶体上集成基于金属纳米颗粒可饱和吸收镜，用于产波长为1微米左右的脉冲激光。并将制备好的Nd:YVO4晶体其与满足II类1064nm→532nm相位匹配的KTP晶体胶合或光胶型连接组成产生532纳米绿光脉冲激光的微型化集成器件。本发明具有转换效率高、光束质量好、寿命长、使用方便等优点，同时能够产生高峰值功率、高亮度的绿光脉冲，在彩色显示、激光加工、激光医疗、指示笔等方面有重要的应用。

Description

一种基于钕掺杂钒酸钇与磷酸钛氧钾胶合晶体的单片集成绿 光脉冲激光器及制备
技术领域
本发明涉及Nd:YVO4晶体和KTP晶体的单片集成绿光脉冲激光器及制备方法，属于光电子器件制备技术领域。
背景技术
全固态脉冲激光技术是一直以来激光研究领域的前沿热点。产生脉冲激光的通常技术主要分为调Q和锁模。调Q技术又称为Q开关技术，可以将一般输出的连续激光压缩到宽度窄、能量大的脉冲序列。锁模技术可以实现不同激光脉冲模式相互间的相位锁定，从而产生峰值功率极高，脉冲宽度极窄，重复频率较高的脉冲。与需要外加调制器件的主动调Q/锁模相比，基于可饱和吸收体的被动调Q/锁模技术更受研究者青睐。对于被动调Q/锁模技术而言，选择性能优异，易于集成的可饱和吸收体是一个关键因素。近期，科学家们陆续发现，如果将载能离子束技术与介电晶体材料相结合，通过调节离子注入条件来控制纳米粒子的大小形貌等参数，基于局域表面等离子共振(LSPR)机制，可以实现纳米粒子对介电晶体材料非线性光学特性的有效调控，实现性能优异的可饱和吸收特性。
钕掺杂钒酸钇(Nd:YVO4)晶体是一种性能优良的激光晶体，具有吸收系数大、吸收带宽、受激发射截面大、激光效率高、阈值低等特点，适合制作高效率、小型化的全固态LD泵浦激光器，在材料加工、光谱学、光显示器、医疗诊断、激光打印等领域有着广泛的应用。磷酸钛氧钾(KTP)晶体是一种重要的非线性光学晶体，具有很多优良的特性如非线性光学系数大(比KDP晶体大15～20倍)、光损伤阈值高(～15J/cm2)、具有优良的热传导性(BNN 晶体的2倍)、在室温下即可实现相位匹配，且对温度和角度变化不敏感、化学稳定性好、可以生长出大尺寸的光学均匀性好的晶体。这些优点使得KTP被广泛地应用于非线性光学和波导应用等研究领域，是实现频率转换器、电光调制器、光参振荡器等的关键材料。
关于绿光激光晶体也有诸多专利文件报道，例如：中国专利文件CN207819170U公开了一种基于新型可饱和吸收体硼碳氮的被动锁模绿光脉冲激光器，属于脉冲激光器技术领域，本发明的脉冲激光器由依次连接的半导体尾纤输出激光器、耦合透镜组、激光增益介质、平面镜、第一平凹镜、倍频晶体、第二平凹镜和硼碳氮可饱和吸收镜组成。然而该激光器的激光晶体、倍频晶体及可饱和吸收体均为分立器件，占用空间较大，不利于微型化与可集成的应用。
Nd:YVO4晶体可与KTP晶体结合，形成胶合晶体组件，是实现近红外波段的输出光向绿光波段倍频光的频率转换、产生小功率绿光激光的主要方法之一。目前为止，还没有在Nd:YVO4晶体上制备纳米颗粒的方式制备集成化的可饱和吸收体，以及将其与KTP晶体结合形成胶合晶体组件，并进而实现绿光脉冲激光输出的报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于钕掺杂钒酸钇与磷酸钛氧钾胶合晶体的单片集成绿光脉冲激光器及制备方法，即创新的利用离子注入银纳米颗粒来调控晶体非线性性质，将饱和吸收体嵌入到晶体里，再结合胶合技术，制备出集成化532纳米绿光脉冲激光器。
本发明的技术方案如下：
一种基于钕掺杂钒酸钇与磷酸钛氧钾胶合晶体的单片集成绿光脉冲激光器，包括依次连接的LD泵浦源、入射腔镜、注入银纳米颗粒的Nd:YVO4晶体、KTP晶体和出射腔镜。
根据本发明，优选的，所述的注入银纳米颗粒的Nd:YVO4晶体和KTP晶体胶合连接，KTP晶体与注入银纳米颗粒的一侧连接。
根据本发明，优选的，所述的注入银纳米颗粒的Nd:YVO4晶体中，银纳米颗粒的注入厚度为100-200nm。注入银纳米颗粒后，Nd:YVO4晶体具有超快可饱和吸收特性。
根据本发明，优选的，所述的入射腔镜对波长为808nm的光的透过率为>99％，对1064nm 的光的反射率为>99％
根据本发明，优选的，所述的出射腔镜对1064nm的光的反射率为>99％，对532nm的光的透过率为>99％。
根据本发明，优选的，所述的入射腔镜、注入银纳米颗粒的Nd:YVO4晶体、KTP晶体和出射腔镜依次紧密连接在一起，形成一个整体。应用于调Q开或锁模从而产生超快激光脉冲，无需再添加其他可饱和吸收镜。
根据本发明，一种1064纳米波长的调Q或锁模脉冲激光器，该激光器为注入银纳米颗粒的Nd:YVO4晶体。优选的，银纳米粒子的注入厚度为100-200nm。
根据本发明，所述的1064纳米波长的调Q或锁模脉冲激光器与非线性光学晶体结合实现近红外波段的输出光向短波长可见光波段的倍频光频率转换的应用。例如：与LBO晶体结合输出532纳米的绿光，与BBO晶体结合输出532纳米的绿光，与KTP晶体结合输出532纳米的绿光。
根据本发明，上述的1064纳米波长的调Q或锁模脉冲激光器的制备方法，包括步骤如下：
(1)以a切Nd:YVO4晶体为基底，对以该晶体与a轴垂直的面进行抛光、清洗，得到抛光面；
(2)定晶体a轴为光束传播方向，沿光束出射面垂直方向或呈7°角的方向，向晶体抛光面注入银离子；注入能量为100-200千电子伏特(keV)，注入剂量为(1-10)×1016ions/cm2；
(3)对注入银离子后的样品进行退火处理，自然冷却，即得注入银纳米颗粒的Nd:YVO4晶体，即可作为1064纳米波长的调Q或锁模脉冲激光器。优选的，银纳米颗粒层注入厚度为100-200nm，该激光器具有超快可饱和吸收特性。优选的，退化温度为1000℃，退火时间为0.5-3小时。
利用激光器泵浦具有上述银纳米颗粒层的Nd:YVO4晶体，可以得到输出波长为1064纳米的近红外脉冲(调Q或锁模)激光。
根据本发明，上述的基于钕掺杂钒酸钇与磷酸钛氧钾胶合晶体的单片集成绿光脉冲激光器的制备方法，包括步骤如下：
(i)将KTP晶体按照II类1064nm→532nm相位匹配切割对样品的表面进行光学抛光、清洗，得到抛光面；
(ii)将基于上述方法制备的注入银纳米颗粒的Nd:YVO4晶体与KTP晶体通过胶合或光胶型连接形成胶合晶体；
(iii)依次连接的LD泵浦源、入射腔镜、胶合晶体和出射腔镜，即得单片集成绿光脉冲激光器。
利用激光器泵浦所制备的胶合晶体，可以得到输出波长为532纳米的绿光脉冲(调Q或锁模)激光。
本发明未详尽说明的，均按本领域现有技术。
本发明的有益效果：
1、本发明利用银离子注入并退火后的钕掺杂钒酸钇晶体，将激光晶体、饱和吸收体与倍频晶体巧妙结合，应用于调Q开或锁模从而产生超快激光脉冲，无需再添加其他可饱和吸收镜。
2、本发明是一个微型的可集成的绿光脉冲激光器，具有转换效率高、光束质量好、寿命长、使用方便等优点，同时能够产生高峰值功率、高亮度的绿光脉冲，在彩色显示、激光加工、激光医疗、指示笔等方面有重要的应用。
3、本发明在基于Nd:YVO4晶体与银纳米颗粒，银纳米颗粒对晶体的非线性性质进行了有效的调控，产生了可饱和吸收特性。通过该方法处理的Nd:YVO4晶体也可单独作为1064 纳米波长的调Q或锁模脉冲激光器。
4、单片集成1064纳米脉冲激光器具有一系列的拓展应用，如与非线性光学晶体(如三硼酸锂LBO晶体、偏硼酸钡BBO晶体、KTP晶体等)结合实现近红外波段的输出光向绿、蓝甚至紫外波段的倍频光的频率转换。
附图说明：
图1为本发明的单片集成绿光脉冲激光器的工艺流程图；
图2使用银离子注入的方法，制备嵌入式银纳米粒子的Nd:YVO4晶体的制作工艺示意图；
图3为基于Nd:YVO4晶体与KTP晶体的532纳米脉冲激光器的主体结构示意图；
图中：1.银离子，2.Nd:YVO4晶体，3.高温退火，4.纳米粒子，5.Nd:YVO4晶体，6. 银纳米颗粒饱和吸收体层，7.KTP晶体，8.出射腔镜，9.入射腔镜，10.LD泵浦源。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明，但不限于此。
实施例1
如图1、2所示，基于钕掺杂钒酸钇与磷酸钛氧钾胶合晶体的单片集成绿光脉冲激光器的制备，包括步骤如下：
(1)以a切Nd:YVO4晶体2为基底，对以该晶体与a轴垂直的面进行抛光，并用纯度为99.7％的酒精对抛光后的样品进行超声清洗，去除抛光表面杂质，得到抛光面；
(2)利用离子束加速器，沿a轴光束出射面垂直方向呈7°角的方向，向晶体抛光面注入银离子1；注入能量为180千电子伏特(keV)，注入剂量为7×1016ions/cm2；使得银离子分布在晶体表面以下200nm范围内；
(3)对注入银离子后的样品进行退火处理3，先升温6h至1000℃，恒温1h后自然冷却，即得到银纳米颗粒层4。
(4)对KTP晶体7按照II类1064nm→532nm相位匹配切割对KTP样品的表面进行光学抛光、清洗，得到抛光面；
(5)将基于上述方法制备的Nd:YVO4晶体与KTP晶体通过胶合或光胶型连接形成胶合晶体；
(6)利用波长为808纳米的LD激光器10泵浦所制备的胶合晶体，可以得到输出波长为 532纳米的绿光调Q脉冲激光。其中入射腔镜9对波长为808纳米的光的透过率为>99％，对波长为1064纳米的光的反射率为>99％；出射腔镜8对波长为1064纳米的光的反射率为>99％，对波长为532纳米的光的透过率为～99％。
实施例2
基于钕掺杂钒酸钇与磷酸钛氧钾胶合晶体的单片集成绿光脉冲激光器的制备，包括步骤如下：
(1)以a切Nd:YVO4晶体2为基底，对以该晶体与a轴垂直的面进行抛光，并用纯度为99.7％的酒精对抛光后的样品进行超声清洗，去除抛光表面杂质，得到抛光面；
(2)利用离子束加速器，沿a轴光束出射面垂直方向或呈7°角的方向，向晶体抛光面注入银离子1；注入能量为120千电子伏特(keV)，注入剂量为5×1016ions/cm2；使得银离子分布在晶体表面以下150nm范围内；
(3)对注入银离子后的样品进行退火处理3，先升温6h至1000℃，恒温1h后自然冷却，即得到银纳米颗粒层4。
(4)对KTP晶体7按照II类1064nm→532nm相位匹配切割对KTP样品的表面进行光学抛光、清洗，得到抛光面；
(5)将基于上述方法制备的Nd:YVO4晶体与KTP晶体通过胶合或光胶型连接形成胶合晶体；
(6)利用波长为808纳米的LD激光器10泵浦所制备的胶合晶体，可以得到输出波长为 532纳米的绿光锁模脉冲激光。其中入射腔镜9对波长为808纳米的光的透过率为>99％，对波长为1064纳米的光的反射率为>99％；出射腔镜8对波长为1064纳米的光的反射率为>99％，对波长为532纳米的光的透过率为～99％。
实施例3
基于钕掺杂钒酸钇与磷酸钛氧钾胶合晶体的单片集成绿光脉冲激光器的制备，包括步骤如下：
(1)以a切Nd:YVO4晶体2为基底，对以该晶体与a轴垂直的面进行抛光，并用纯度为99.7％的酒精对抛光后的样品进行超声清洗，去除抛光表面杂质，得到抛光面；
(2)利用离子束加速器，沿a轴光束出射面垂直方向或呈7°角的方向，向晶体抛光面注入金离子；注入能量为180千电子伏特(keV)，注入剂量为7×1016ions/cm2；使得金离子分布在晶体表面以下200nm范围内；
(3)对注入金离子后的样品进行退火处理3，先升温6h至1000℃，恒温1h后自然冷却，即得到金纳米颗粒层。
(4)对KTP晶体7按照II类1064nm→532nm相位匹配切割对KTP样品的表面进行光学抛光、清洗，得到抛光面；
(5)将基于上述方法制备的Nd:YVO4晶体与KTP晶体通过胶合或光胶型连接形成胶合晶体；
(6)利用波长为808纳米的LD激光器10泵浦所制备的胶合晶体，可以得到输出波长为 532纳米的绿光脉冲激光。其中入射腔镜9对波长为808纳米的光的透过率为>99％，对1064纳米的光的反射率为>99％；出射腔镜8对1064纳米的光的反射率为>99％，对532纳米的光的透过率为～99％。
实施例4
如图3所示，一种基于钕掺杂钒酸钇与磷酸钛氧钾胶合晶体的单片集成绿光脉冲激光器，包括依次连接的LD泵浦源10、入射腔镜9、注入银纳米颗粒的Nd:YVO4晶体、KTP晶体7 和出射腔镜8。所述的注入银纳米颗粒的Nd:YVO4晶体为在Nd:YVO4晶体5中注入银纳米颗粒层6。银纳米颗粒层的注入厚度为100-200nm。
所述的注入银纳米颗粒的Nd:YVO4晶体和KTP晶体胶合连接，KTP晶体与注入银纳米颗粒的一侧连接。
所述的入射腔镜9对波长为808nm的光的透过率为>99％，对1064nm的光的反射率为>99％。
所述的出射腔镜8对1064nm的光的反射率为>99％，对532nm的光的透过率为>99％。
对比例1
如实施例1所述，不同的是采用钨离子进行注入，并参照实施例1组装锁模绿光脉冲激光器。
对比例2
如实施例1所述，不同的是采用铂离子进行注入，并参照实施例1组装锁模绿光脉冲激光器。
对比例1和对比例2中，经离子注入后的Nd:YVO4晶体未能测到明显的可饱和吸收性，并在组装的激光系统中不能产生脉冲激光，因此不具有制备可饱和吸收镜并应用于集成脉冲激光的可能性。
实施例1-4中，经离子注入后的Nd:YVO4晶片在近红外波段可以测到明显的饱和吸收性，结合胶合技术可以制备出的集成化532纳米绿光脉冲激光器。可以通过端面耦合系统产生脉冲激光，在500mW的泵浦光激发下，峰值功率可达120mW，重复频率可达到千兆赫兹(GHz) 量级，脉冲宽度在皮秒(ps)量级。在提高泵浦功率、耦合效率等优化下，这些性能仍有进一步提高的空间。

Claims (10)

1.一种基于钕掺杂钒酸钇与磷酸钛氧钾胶合晶体的单片集成绿光脉冲激光器，其特征在于，该激光器包括依次连接的LD泵浦源、入射腔镜、注入银纳米颗粒的Nd:YVO4晶体、KTP晶体和出射腔镜。
2.根据权利要求1所述的基于钕掺杂钒酸钇与磷酸钛氧钾胶合晶体的单片集成绿光脉冲激光器，其特征在于，所述的注入银纳米颗粒的Nd:YVO4晶体和KTP晶体胶合连接，KTP晶体与注入银纳米颗粒的一侧连接。
3.根据权利要求1所述的基于钕掺杂钒酸钇与磷酸钛氧钾胶合晶体的单片集成绿光脉冲激光器，其特征在于，所述的注入银纳米颗粒的Nd:YVO4晶体中，银纳米颗粒的注入厚度为100-200nm。
4.根据权利要求1所述的基于钕掺杂钒酸钇与磷酸钛氧钾胶合晶体的单片集成绿光脉冲激光器，其特征在于，所述的入射腔镜对波长为808nm的光的透过率为>99％，对1064nm的光的反射率为>99％。
5.根据权利要求1所述的基于钕掺杂钒酸钇与磷酸钛氧钾胶合晶体的单片集成绿光脉冲激光器，其特征在于，所述的出射腔镜对1064nm的光的反射率为>99％，对532nm的光的透过率为>99％。
6.根据权利要求1所述的基于钕掺杂钒酸钇与磷酸钛氧钾胶合晶体的单片集成绿光脉冲激光器，其特征在于，所述的入射腔镜、注入银纳米颗粒的Nd:YVO4晶体、KTP晶体和出射腔镜依次紧密连接在一起，形成一个整体。
7.一种1064纳米波长的调Q或锁模脉冲激光器，该激光器为注入银纳米颗粒的Nd:YVO4晶体；
优选的，银纳米粒子的注入厚度为100-200nm。
8.权利要求7所述的1064纳米波长的调Q或锁模脉冲激光器与非线性光学晶体结合实现近红外波段的输出光向短波长可见光波段的倍频光频率转换的应用。
9.权利要求7所述的1064纳米波长的调Q或锁模脉冲激光器的制备方法，包括步骤如下：
(1)以a切Nd:YVO4晶体为基底，对以该晶体与a轴垂直的面进行抛光、清洗，得到抛光面；
(2)定晶体a轴为光束传播方向，沿光束出射面垂直方向或呈7°角的方向，向晶体抛光面注入银离子；注入能量为100-200千电子伏特(keV)，注入剂量为(1-10)×1016ions/cm2；
(3)对注入银离子后的样品进行退火处理，自然冷却，即得注入银纳米颗粒的Nd:YVO4晶体，即可作为1064纳米波长的调Q或锁模脉冲激光器。
10.权利要求1所述的基于钕掺杂钒酸钇与磷酸钛氧钾胶合晶体的单片集成绿光脉冲激光器的制备方法，包括步骤如下：
(i)将KTP晶体按照II类1064nm→532nm相位匹配切割对样品的表面进行光学抛光、清洗，得到抛光面；
(ii)将基于上述方法制备的注入银纳米颗粒的Nd:YVO4晶体与KTP晶体通过胶合或光胶型连接形成胶合晶体；
(iii)依次连接的LD泵浦源、入射腔镜、胶合晶体和出射腔镜，即得单片集成绿光脉冲激光器。
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