CN110071414A - 具有两端键合体的微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有两端键合体的微型Er‑Yb共掺磷酸盐激光玻璃，通过在Er‑Yb共掺磷酸盐激光玻璃前后端面分别键合透明材料和Co:spinel被动调Q晶体；并在透明材料和Co:spinel被动调Q晶体的外端面镀有多层激光介质宽带膜，以此组成激光谐振腔，该谐振腔为人眼安全激光谐振腔，为微型人眼安全激光器提供一种能够在‑40℃～+65℃的全温度范围内稳定可靠工作的激光介质，能够输出波长1.54μm的激光，宽度4～6ns的脉冲、能量几十～几百微焦耳，在热传导冷却条件下，重频最高1KHz，并有效的提高了输出激光的光学质量。
Description
技术领域
本发明涉及共掺磷酸盐激光玻璃领域，尤其是一种具有两端键合体的微型Er-Yb共掺激光玻璃。
背景技术
目前激光介质材料的键合通常应用在同一种基质材料，如Cr:YAG调Q晶体与Nd:YAG激光介质的键合，基质材料都是YAG。对于要键合不同基质的激光材料，尤其是要在两端键合不同材料，难度更大，一般是采用一端键合或胶合以及机械结构固定的方法，这样带来激光调试难度的大大增加，体积重量增加，可靠性的降低。
另一方面，常规的Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃，在其一端键合Co:spinel晶体，另一端没有键合体，以此组合成激光介质，并在该组合激光介质两端镀有宽带激光介质膜形成激光谐振腔，由于键合的Co:spinel晶体的透过率限制，以及Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃吸收特性的限制，两者键合后的总长度都较短，一般2～4mm，这样键合后的组合激光介质形成的激光谐振腔非常短，即2～4mm，产生的输出激光脉冲宽度非常窄，一般2～3ns，且一般该类激光器输出激光光斑直径约100μm左右，当输出激光的能量几十～几百μJ时，激光谐振腔内的激光峰值功率密度非常大，达到了GW/cm2的量级，达到甚至超过激光介质膜的损伤阈值，极其容易损伤激光介质膜，带来激光器的可靠性降低，同时，2～3ns的激光脉宽用于激光测距机时，低于激光测距机探测器的响应时间，影响了激光测距性能。
再有，由于Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃较差的散热特性，作为激光介质时，当高重频、高功率密度的泵浦光耦合进该激光介质时，会影响输出激光光学质量。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有的Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃几个问题:1)在与多个不同基质激光材料组合实现一定功能时，采用一端键合或胶合以及机械结构固定的方法，带来激光调试难度的大大增加，体积重量增加，可靠性的降低等问题；2)一端键合Co:spinel晶体，另一端没有键合体，并在两端镀有宽带激光介质膜以此组合形成的激光谐振腔产生的激光脉冲宽度非常窄，一般2～3ns。当输出激光能量几十～几百μJ时，激光谐振腔内的激光峰值功率密度非常大，达到了GW/cm2的量级，达到甚至超过激光介质膜的损伤阈值，极其容易损伤激光介质膜，带来激光器的可靠性降低；同时，2～3ns的激光脉宽用于激光测距机时，低于激光测距机探测器的响应时间，影响了激光测距性能；3)Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃的一端没有键合或只是胶合透明材料后，对于高功率密度的泵浦光耦合产生的热，不能有效的带走，使得输出激光的光学质量降低。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种具有两端键合体的微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃，包括：
Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃的前端面键合透明材料，后端面键合Co:spinel被动调Q晶体，所述透明材料的外端面镀有第一多层激光介质宽带膜，在Co:spinel被动调Q晶体的外端面镀有第二多层激光介质宽带膜；
所述第一多层激光介质宽带膜为增透高反膜；
所述第一多层激光介质宽带膜为高反反射膜。
优选地，所述Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃中Er掺杂浓度0.5～1.7at.％，Yb掺杂浓度18～24at.％。
优选地，所述透明材料为在920～980nm和1.54μm波段吸收小于1000ppm/cm的玻璃或晶体光学材料。
优选地，所述透明材料为磷酸盐玻璃。
优选地，所述透明材料的厚度为2～4mm，所述Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃的厚度为2～6mm，所述Co:spinel被动调Q晶体在波段为1.54μm的初始透过率为85％～98％。
优选地，所述增透高反膜与所述高反反射膜的材料中均包括Ta2O5和SiO2，所述Ta2O5和所述SiO2的纯度均优于99.99％。
优选地，所述增透高反膜在波段为920nm～980nm的反射率小于1％。
优选地，所述增透高反膜在波段为1.54μm的反射率大于99.8％。
优选地，所述高反反射膜在波段为920nm～980nm的反射率大于95％。
优选地，所述高反反射膜在波段为1.54μm的反射率80％～95％。
本发明提供了一种具有两端键合体的微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃，通过在Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃前后端面分别键合透明材料和Co:spinel被动调Q晶体；并在透明材料和Co:spinel被动调Q晶体的外端面镀有多层激光介质宽带膜，以此组成激光谐振腔，该谐振腔为人眼安全激光谐振腔，为微型人眼安全激光器提供一种能够在-40℃～+65℃的全温度范围内稳定可靠工作的激光介质，能够输出波长1.54μm的激光，宽度4～6ns的脉冲、能量几十～几百微焦耳，在热传导冷却条件下，重频最高1KHz，并有效的提高了输出激光的光学质量。
附图说明
图1为两端键合体的微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃的结构示意图。
图中：
1、透明材料；2、Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃；3、Co:spinel被动调Q晶体。
具体实施方式
结合图1，本发明提出的一种具有两端键合体的微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃，包括：
Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃前端面键合透明材料，后端面键合Co:spinel被动调Q晶体，透明材料的外端面镀有第一多层激光介质宽带膜，在Co:spinel被动调Q晶体的外端面镀有第二多层激光介质宽带膜；
本发明通过在Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃前后端面分别键合透明材料和Co:spinel被动调Q晶体；并在透明材料和Co:spinel被动调Q晶体的外端面镀有多层激光介质宽带膜，以此组成激光谐振腔，该谐振腔为人眼安全激光谐振腔，为微型人眼安全激光器提供一种能够在-40℃～+65℃的全温度范围内稳定可靠工作的激光介质，能够输出波长1.54μm的激光，宽度4～6ns的脉冲、能量几十～几百微焦耳，在热传导冷却条件下，重频最高1KHz，并有效的提高了输出激光的光学质量。
在本发明的实施例中，Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃中Er掺杂浓度0.5～1.7at.％，Yb掺杂浓度18～24at.％。需要说明的是，Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃的厚度为2～6mm。
需要注意的是，本发明对第一多层激光介质宽带膜、第二层激光介质宽带膜的厚度没有限制，只需第一多层激光介质宽带膜、第二层激光介质宽带膜满足相应波段反射率的要求即可。
在本发明的实施例中，透明材料为在920～980nm和1.54μm波段吸收小于1000ppm/cm的玻璃或晶体光学材料。在其他实施例中，透明材料为磷酸盐玻璃。
需要说明的是，透明材料具有较好的散热特性，能够将Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃产生的热传导出来，使得激光输出的光学质量得以提高。
在本发明的实施例中，对Co:spinel被动调Q晶体厚度不作限定，只需Co:spinel被动调Q晶体在波段为1.54μm的初始透过率为85％～98％即可。
在本发明的实施例中，增透高反膜与高反反射膜的材料中均包括Ta2O5和SiO2，Ta2O5和SiO2的纯度均优于99.99％。
增透高反膜在920nm～980nm的波段下具有增透作用，在1.54μm的波段下具有高的反射作用；在本发明的实施例中，增透高反膜在波段为920nm～980nm的反射率小于1％。增透高反膜在波段为1.54μm的反射率大于99.8％。
高反反射膜在920nm～980nm的波段下具有高的反射作用，在1.54μm的波段下具有反射的作用；在本发明的实施例中，高反反射膜在波段为920nm～980nm的反射率大于95％。高反反射膜在波段为1.54μm的反射率80％～95％。
本发明在Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃(2～6mm)的一端键合Co:spinel被动调Q晶体后，在另一端键合2～4mm的透明材料，并在该两端键合的组合激光介质的两端镀有层激光介质宽带膜形成激光谐振腔，这样由激光介质膜形成的激光谐振腔的总长度较长，在4～10mm之间，在输出激光光斑直径100～300μm，当输出激光能量几十～几百μJ时，输出的激光脉冲宽度较宽，在4～6ns之间，使得激光谐振腔内的峰值功率密度降低到损伤阈值以下，提高了可靠性，同时也达到了测距机的探测器响应灵敏度的要求。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种两端键合体的微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
具有两端键合体的微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃，包括：
Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃前端面键合厚度为2mm的透明材料，后端面键合初始透过率98％的Co:spinel被动调Q晶体，透明材料的外端面镀有第一多层激光介质宽带膜，在Co:spinel被动调Q晶体的外端面镀有第二多层激光介质宽带膜；
第一多层激光介质宽带膜为增透高反膜，在波段为920nm～980nm的反射率小于1％，在波段为1.54μm的反射率大于99.8％；第二多层激光介质宽带膜为高反反射膜，在波段为920nm～980nm的反射率大于95％，在波段为1.54μm的反射率95％；增透高反膜与所述高反反射膜的材料中均包括Ta2O5和SiO2，Ta2O5和SiO2的纯度均优于99.99％；
Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃中Er掺杂浓度1.7at.％，Yb掺杂浓度21at.％，厚度为2mm；
透明材料为在920～980nm和1.54μm波段吸收小于1000ppm/cm的磷酸盐玻璃。
实施例2
具有两端键合体的微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃，包括：
Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃前端面键合厚度为4mm的透明材料，后端面键合初始透过率85％的Co:spinel被动调Q晶体，透明材料的外端面镀有第一多层激光介质宽带膜，在Co:spinel被动调Q晶体的外端面镀有第二多层激光介质宽带膜；
第一多层激光介质宽带膜为增透高反膜，在波段为920nm～980nm的反射率小于1％，在波段为1.54μm的反射率大于99.8％；第二多层激光介质宽带膜为高反反射膜，在波段为920nm～980nm的反射率大于95％，在波段为1.54μm的反射率80％；增透高反膜与所述高反反射膜的材料中均包括Ta2O5和SiO2，Ta2O5和SiO2的纯度均优于99.99％；
Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃中Er掺杂浓度0.5at.％，Yb掺杂浓度21at.％，厚度为6mm；
透明材料为在920～980nm和1.54μm波段吸收小于1000ppm/cm的磷酸盐玻璃。
实施例3
具有两端键合体的微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃，包括：
Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃前端面键合厚度为3mm的透明材料，后端面键合初始透过率90％的Co:spinel被动调Q晶体，透明材料的外端面镀有第一多层激光介质宽带膜，在Co:spinel被动调Q晶体的外端面镀有第二多层激光介质宽带膜；
第一多层激光介质宽带膜为增透高反膜，在波段为920nm～980nm的反射率小于1％，在波段为1.54μm的反射率大于99.8％；第二多层激光介质宽带膜为高反反射膜，在波段为920nm～980nm的反射率大于95％，在波段为1.54μm的反射率90％；增透高反膜与所述高反反射膜的材料中均包括Ta2O5和SiO2，Ta2O5和SiO2的纯度均优于99.99％；
Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃中Er掺杂浓度1at.％，Yb掺杂浓度21at.％，厚度为4mm；
透明材料为在920～980nm和1.54μm波段吸收小于1000ppm/cm的磷酸盐玻璃。
对比例1
微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃，包括：
Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃前端面胶合厚度为3mm的透明材料，后端面键合初始透过率90％的Co:spinel被动调Q晶体，透明材料的外端面镀有第一多层激光介质宽带膜，在Co:spinel被动调Q晶体的外端面镀有第二多层激光介质宽带膜；
第一多层激光介质宽带膜为增透高反膜，在波段为920nm～980nm的反射率小于1％，在波段为1.54μm的反射率大于99.8％；第二多层激光介质宽带膜为高反反射膜，在波段为920nm～980nm的反射率大于95％，在波段为1.54μm的反射率90％；增透高反膜与所述高反反射膜的材料中均包括Ta2O5和SiO2，Ta2O5和SiO2的纯度均优于99.99％；
Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃中Er掺杂浓度1at.％，Yb掺杂浓度21at.％，厚度为4mm；
透明材料为在920～980nm和1.54μm波段吸收小于1000ppm/cm的磷酸盐玻璃。
对比例2
微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃，包括：
Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃后端面键合初始透过率90％的Co:spinel被动调Q晶体，Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃前端面镀有第一多层激光介质宽带膜，在Co:spinel被动调Q晶体的外端面镀有第二多层激光介质宽带膜；
第一多层激光介质宽带膜为增透高反膜，在波段为920nm～980nm的反射率小于1％，在波段为1.54μm的反射率大于99.8％；第二多层激光介质宽带膜为高反反射膜，在波段为920nm～980nm的反射率大于95％，在波段为1.54μm的反射率90％；增透高反膜与所述高反反射膜的材料中均包括Ta2O5和SiO2，Ta2O5和SiO2的纯度均优于99.99％；
Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃中Er掺杂浓度1at.％，Yb掺杂浓度21at.％，厚度为4mm；
透明材料为在920～980nm和1.54μm波段吸收小于1000ppm/cm的磷酸盐玻璃。
对比例3
微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃，包括：
Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃前端面键合厚度为3mm的透明材料，透明材料的外端面镀有第一多层激光介质宽带膜，在Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃的后端面镀有第二多层激光介质宽带膜；
第一多层激光介质宽带膜为增透高反膜，在波段为920nm～980nm的反射率小于1％，在波段为1.54μm的反射率大于99.8％；第二多层激光介质宽带膜为高反反射膜，在波段为920nm～980nm的反射率大于95％，在波段为1.54μm的反射率90％；增透高反膜与所述高反反射膜的材料中均包括Ta2O5和SiO2，Ta2O5和SiO2的纯度均优于99.99％；
Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃中Er掺杂浓度1at.％，Yb掺杂浓度21at.％，厚度为4mm；
透明材料为在920～980nm和1.54μm波段吸收小于1000ppm/cm的磷酸盐玻璃。
对实施例1～3和对比例1～3的微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃，应用在激光器中，并在-40℃～+65℃的温度范围下，测试激光光斑直径、激光波长、脉冲能量、脉冲宽度、重复频率，结果见表1。
表1测试结果
需要说明的是，对比例1中Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃与透明材料通过胶合方式连接，这种胶合结构，对于高功率密度的泵浦光耦合产生的热，不能有效的带走，极易在胶合面出现损伤，无法完整测得激光光斑直径、激光波长、脉冲能量、脉冲宽度、重复频率相关数据；对比例3中由于另一端不键合Co:spinel被动调Q晶体，无法输出脉冲激光，所以无法完整测得激光光斑直径、激光波长、脉冲能量、脉冲宽度、重复频率相关数据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有两端键合体的微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃，其特征在于，包括：
Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃的前端面键合透明材料，后端面键合Co:spinel被动调Q晶体，所述透明材料的外端面镀有第一多层激光介质宽带膜，在Co:spinel被动调Q晶体的外端面镀有第二多层激光介质宽带膜。
2.根据权利要求1所述的具有两端键合体的微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃，其特征在于，所述Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃中Er掺杂浓度0.5～1.7at.％，Yb掺杂浓度18～24at.％。
3.根据权利要求1所述的具有两端键合体的微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃，其特征在于，所述透明材料为在920～980nm和1.54μm波段吸收小于1000ppm/cm的玻璃或晶体光学材料。
4.根据权利要求1所述的具有两端键合体的微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃，其特征在于，所述透明材料为磷酸盐玻璃。
5.根据权利要求1所述的具有两端键合体的微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃，其特征在于，所述透明材料的厚度为2～4mm，所述Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃的厚度为2～6mm，所述Co:spinel被动调Q晶体在波段为1.54μm的初始透过率为85％～98％。
6.根据权利要求1所述的具有两端键合体的微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃，其特征在于，所述增透高反膜与所述高反反射膜的材料中均包括Ta2O5和SiO2，所述Ta2O5和所述SiO2的纯度均优于99.99％。
7.根据权利要求1所述的具有两端键合体的微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃，其特征在于，所述增透高反膜在波段为920nm～980nm的反射率小于1％。
8.根据权利要求1所述的具有两端键合体的微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃，其特征在于，所述增透高反膜在波段为1.54μm的反射率大于99.8％。
9.根据权利要求1所述的具有两端键合体的微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃，其特征在于，所述高反反射膜在波段为920nm～980nm的反射率大于95％。
10.根据权利要求1所述的具有两端键合体的微型Er-Yb共掺磷酸盐激光玻璃，其特征在于，所述高反反射膜在波段为1.54μm的反射率80％～95％。
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