CN109713560A - 面向3.0~5.0微米全固体激光器的中红外铁铒双掺激光晶体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向3.0~5.0微米全固体激光器的中红外铁铒双掺激光晶体，涉及中红外激光增益材料领域，该激光晶体中，二价铁离子作为激活离子，发光范围位于3.0~5.0微米中红外波段，三价铒离子作为二价铁离子的敏化离子，使得晶体适合于商业化、大功率发光二极管泵浦。另一方面，二价铁离子属于过渡金属离子，吸收和发射带宽较宽，同时吸收和发射截面大，可获得超短超快激光输出。该激光晶体可以用于3.0~5.0微米的激光输出，在医疗、科研及军事等领域有着重要的应用前景。

Description

面向3.0～5.0微米全固体激光器的中红外铁铒双掺激光晶体

技术领域

本发明涉及激光晶体增益材料技术领域，具体涉及一种面向3.0～5.0微米全固体激光器的中红外铁铒双掺激光晶体。

背景技术

3.0～5.0微米波段激光在大气污染监控、传感、医疗、海洋探测、工程控制、光谱学、遥感、激光雷达、光电对抗等民用和军用领域具有等领域具有广泛的应用前景。目前实现3.0～5.0微米中红外固体激光的主要方式有：光学参量振荡，光学参量放大和差频等几种方法。但是，基于以上方法的中红外激光器由于存在器件复杂、效率低、不稳定等缺点，使得在实际的应用中难以广泛推广。

而本发明旨在寻找能够直接泵浦而产生中远红外激光的固体激光材料。在众多发光离子中，Fe²⁺离子是实现3.0～5.0微米波段激光输出的有效稀土离子之一。然而目前基于Fe²⁺离子实现有效的中红外激光输出的发展相对滞后，主要原因为：泵浦源局限于2.7～3.0微米的中红外激光器，该类泵源系统复杂、稳定性差、激光输出能量低、效率低。

因此研究面向3.0～5.0微米全固体激光器的中红外铁铒双掺激光晶体对发展3.0～5.0微米的激光输出具有重要意义。目前，国内外未见有铁铒双掺晶体作为3.0～5.0微米中红外激光晶体的相关报道。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种面向3.0～5.0微米全固体激光器的中红外铁铒双掺激光晶体，该晶体可以实现3.0～5.0微米的激光输出，在医疗、科研及军事等领域有着重要的应用前景。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种面向3.0～5.0微米全固体激光器的中红外铁铒双掺激光晶体，所述激光晶体的掺杂离子为Fe²⁺和Er³⁺共掺杂，其中所述Fe²⁺作为激活离子，所述Er³⁺作为所述Fe²⁺的敏化离子；

所述激光晶体在半导体激光器泵浦下，Er³⁺有效吸收能量，然后在基质材料声子能量的辅助下，发生从Er³⁺到Fe²⁺的能量传递，将能量转移给Fe²⁺离子，实现Er³⁺离子的敏化功能，使晶体适合半导体激光器泵浦。

进一步地，所述激光晶体用于实现3.0～5.0微米波段全固态激光输出。

进一步地，所述Fe²⁺的掺杂浓度范围为：0.1～50mol％。

进一步地，所述Er³⁺的掺杂浓度范围为：0.1～20mol％。

进一步地，所述基质材料选自氟化钇钡、氟化镥锂、氟化钇锂、氟化铅、氟化钙、氟化镁、氟化锶、氟化镧、钇铝石榴石、铝酸钇、铝酸镥、PbGa₂S₄、KPb₂Br₅和KPb₂Cl₅中的一种。

进一步地，所述半导体激光器所采用的泵浦源为780～830纳米或者920～1020纳米。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明首次提出通过三价铒离子(Er³⁺离子)共掺来敏化二价铁离子(Fe²⁺离子)的学术思想，达到实现晶体的LD泵浦，进而提高Fe²⁺激活中红外激光晶体的激光输出效率。

附图说明

图1是本发明中Fe²⁺、Er³⁺能级跃迁示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例公开了一种面向3.0～5.0微米全固体激光器的中红外铁铒双掺激光晶体，其中，二价铁离子(Fe²⁺)作为激活离子，能够发出3.0～5.0微米的荧光；三价铒离子(Er^{3 +})可作为二价铁离子的敏化离子，如图1所示：在发展成熟的半导体激光器(LD)泵浦下，中心波长范围为：780～830nm(即采用泵浦源为780～830纳米的半导体激光器)，或者，中心波长范围为：920～1020nm(即采用泵浦源为920～1020纳米的半导体激光器)，Er³⁺有效吸收能量，然后在基质材料声子能量的辅助下，发生从Er³⁺到Fe²⁺的能量传递，将能量转移给Fe²⁺离子，实现Er³⁺离子的敏化功能，使晶体适合半导体激光器(LD)泵浦。

此类晶体中，二价铁离子(Fe²⁺)的掺杂浓度范围为：0.1～50mol％，三价铒离子(Er³⁺)的掺杂浓度范围为：0.1～20mol％。

该类晶体的基质材料声子能量低，基质材料包括氟化钇钡(BaY₂F₈)，氟化镥锂(LuLiF₄)，氟化钇锂(YLiF₄)，氟化铅(PbF₂)，氟化钙(CaF₂)，氟化镁(MgF₂)，氟化锶(SrF₃)，氟化镧(LaF₃)，钇铝石榴石(Y₃Al₅O₁₂)、铝酸钇(YAlO₃)、铝酸镥(LuAlO₃)、PbGa₂S₄、KPb₂Br₅和KPb₂Cl₅等晶体。

本实施例中公开的新型高效中红外铁铒双掺激光晶体能够用于实现3.0～5.0微米波段激光输出。

实施例二

本实施例中选用纯度大于99.99％的原料PbF₂、ErF₃和FeF₂，采用坩埚下降法进行晶体生长，成功生长了铁铒共掺杂氟化铅中红外激光晶体，其中二价铁离子(Fe²⁺)的掺杂浓度为2mol％，三价铒离子(Er³⁺)的掺杂浓度为2mol％。成功生长晶体后，加工尺寸为6×6×1mm³的样品进行光谱测试，在970nm LD激发下，成功测试到3.0～5.0微米中红外荧光发射光谱曲线，证明了铒离子对铁离子的敏化作用。

这是国际上首次在Fe²⁺离子激活激光晶体上直接LD激发产生增强的3.0～5.0微米波段荧光发射，具有重要的研究价值和应用前景。同时也表明：铁铒共掺新型中红外激光晶体有望成为一种既适合LD泵浦，又具备高效3.0～5.0微米荧光发射的新型中红外激光增益材料，实现高效的激光输出。

综上所述，本发明首次提出了通过在Fe²⁺激活晶体中共掺具有敏化作用的Er³⁺离子的学术思想，实现了晶体的LD泵浦和增强3.0～5.0微米荧光发射的双层目的。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面向3.0～5.0微米全固体激光器的中红外铁铒双掺激光晶体，其特征在于，所述激光晶体的掺杂离子为Fe²⁺和Er³⁺共掺杂，其中所述Fe²⁺作为激活离子，所述Er³⁺作为所述Fe²⁺的敏化离子；

所述激光晶体在半导体激光器泵浦下，Er³⁺有效吸收能量，然后在基质材料声子能量的辅助下，发生从Er³⁺到Fe²⁺的能量传递，将能量转移给Fe²⁺离子，实现Er³⁺离子的敏化功能，使晶体适合半导体激光器泵浦。

2.根据权利要求1所述的面向3.0～5.0微米全固体激光器的中红外铁铒双掺激光晶体，其特征在于，所述激光晶体用于实现3.0～5.0微米波段全固态激光输出。

3.根据权利要求1所述的面向3.0～5.0微米全固体激光器的中红外铁铒双掺激光晶体，其特征在于，所述Fe²⁺的掺杂浓度范围为：0.1～50mol％。

4.根据权利要求1所述的面向3.0～5.0微米全固体激光器的中红外铁铒双掺激光晶体，其特征在于，所述Er³⁺的掺杂浓度范围为：0.1～20mol％。

5.根据权利要求1所述的面向3.0～5.0微米全固体激光器的中红外铁铒双掺激光晶体，其特征在于，所述基质材料选自氟化钇钡、氟化镥锂、氟化钇锂、氟化铅、氟化钙、氟化镁、氟化锶、氟化镧、钇铝石榴石、铝酸钇、铝酸镥、PbGa₂S₄、KPb₂Br₅和KPb₂Cl₅中的一种。

6.根据权利要求1所述的面向3.0～5.0微米全固体激光器的中红外铁铒双掺激光晶体，其特征在于，所述半导体激光器所采用的泵浦源为780～830纳米或者920～1020纳米。