CN110535017B - 基于双掺杂晶体的全固态黄光激光器 - Google Patents

基于双掺杂晶体的全固态黄光激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双掺杂晶体的全固态黄光激光器，包括：泵浦系统和谐振腔，泵浦系统包括两个半导体激光器、两个光束整形模块、偏振合束模块和聚焦透镜模块；所述双掺杂激光增益介质包括Dy3+掺杂的氧化物基质以及辅助掺杂离子。本发明利用Dy3+中4F9/2→6H13/2的受激辐射直接产生黄光激光，无需非线性频率变换过程，从根本上解决了目前全固态黄光激光结构复杂的问题；本发明的激光介质采用双掺杂的氧化物晶体，通过多声子弛豫的方式加速6H13/2能级的粒子数消耗；共掺杂离子(Tb3+/Eu3+)的引入实现激光下能级的能量转移，减小6H13/2的能级寿命，实现了粒子数的快速反转，提高了黄光激光输出的稳定性。

Description

基于双掺杂晶体的全固态黄光激光器
技术领域
本发明涉及生物医学领域，特别涉及一种基于双掺杂晶体的全固态黄光激光器。
背景技术
全固态黄光激光器在生物医学仪器、光学存储、精密测量、照明显示、等领域具有重要作用。尤其在生物分析与临床治疗中，黄光激光是荧光染料的激发光，目前已成为流式细胞仪与超分辨显微镜的标配光源；血红蛋白在黄光波段具有很强的吸收峰，在毛细血管扩张以及视网膜黄斑病变的临床治疗中发挥着重要作用。因此，获得高效、稳定的黄光激光具有重要的研究意义与应用价值。
染料激光器可以直接产生黄光，是早期获得黄光激光的主要方法。但其染料易退化、效率低、安全性差等缺点制约了染料激光器的发展。目前获得全固态黄光激光器的主要方法有：(1)双波长和频：利用和频晶体(LBO/KTP)实现1064nm与1300nm的和频输出；(2)红外倍频：通过对Nd:YAG晶体合理镀膜，结合标准具透射原理获得1112nm～1123nm的基频光，再倍频实现黄光输出；(3)拉曼激光器：基于受激拉曼散射效应，将增益较大且容易获得的波长(如1064nm)频移至1100～1200nm之间，再通过倍频获得黄光的输出。以上这些方法都是通过非线性频率变换，将易获得的波长转换成黄光，但是对基频光的要求较高，转换效率低，激光器的结构复杂。
稀土离子Dy3+的4F9/2→6H13/2能级跃迁可以产生580nm的荧光，是目前直接获得黄光激光最具潜力的材料。但是，由于Dy3+离子具有较低的受激发射截面且激光下能级的粒子无法迅速地弛豫至基态，导致单掺杂Dy3+的黄光激光器输出功率较小，无法实现高效稳定的连续运转。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，减小Dy3+中6H13/2的能级寿命以提高激光输出的稳定性，获得578～585nm高稳定性的全固态黄光激光器；本发明提供一种基于双掺杂晶体的全固态黄光激光器。
本发明采用的技术方案是：一种基于双掺杂晶体的全固态黄光激光器，包括：
泵浦系统，其包括两个型号相同的用于发出两束偏振方向互相垂直的泵浦光的半导体激光器、分别位于所述两个半导体激光器的输出端的两个光束整形模块、用于将两束偏振方向互相垂直的泵浦光进行合束的偏振合束模块以及聚焦透镜模块；
谐振腔，位于所述聚焦耦合透镜的输出端，其包括谐振腔前腔镜、双掺杂的激光增益介质、谐振腔输出耦合镜和滤光片；
所述双掺杂激光增益介质包括Dy3+掺杂的氧化物基质以及辅助掺杂离子；
所述双掺杂激光增益介质吸收泵浦光后，Dy3+中处于基态6H15/2的电子受激跃迁至4I15/2能级，随后无辐射地弛豫至亚稳态能级4F9/2，在谐振腔内发生4F9/2→6H13/2的受激辐射放大，产生黄光激光，依次经过所述谐振腔输出耦合镜和滤光片后输出。
优选的是，所述双掺杂激光增益介质的基质为Y3Sc2Ga3O12。
优选的是，所述双掺杂激光增益介质的基质为GdScO3。
优选的是，所述双掺杂激光增益介质的主掺杂离子为Dy3+，浓度为0.1％～10％；所述辅掺杂离子为Tb3+，浓度为0.1％～20％。
优选的是，所述双掺杂激光增益介质的主掺杂离子为Dy3+，浓度为0.1％～10％；所述辅掺杂离子为Eu3+，浓度为0.1％～20％。
优选的是，所述两个半导体激光器发出的泵浦光的波长均为400～500nm。
优选的是，所述两个光束整形模块均为棱镜对或柱面镜对。
优选的是，所述偏振合束模块为偏振分光棱镜，合束前的两束泵浦光偏振方向互相垂直，一束为P偏振，另一束为S偏振。
优选的是，所述聚焦透镜模块为一片单透镜或一片非球面透镜。
优选的是，所述双掺杂激光增益介质的前后表面都镀有对振荡光的增透膜系；所述双掺杂激光增益介质的前表面镀有对泵浦光增透的膜系，后表面镀有对泵浦光的高反膜系。
本发明的有益效果是：
(1)本发明利用Dy3+中4F9/2→6H13/2的受激辐射直接产生黄光激光，无需非线性频率变换过程，从根本上解决了目前全固态黄光激光结构复杂的问题；
(2)本发明的激光介质采用双掺杂的氧化物晶体，以具有高声子能量的氧化物作为掺杂基质，通过多声子弛豫的方式加速6H13/2能级的粒子数消耗；同时，共掺杂离子(Tb3+/Eu3+)的引入实现激光下能级的能量转移，减小6H13/2的能级寿命，实现了粒子数的快速反转，提高了黄光激光输出的稳定性。
附图说明
图1为Dy3+与Tb3+离子双掺杂晶体的能级结构简图，图中ET1为Dy3+的6H13/2能级与Tb3+的7F4能级发生的共振能量转移；
图2为Dy3+与Eu3+离子双掺杂晶体的能级结构简图，图中ET2为Dy3+的6H13/2能级与Eu3+的7F5能级发生的共振能量转移；
图3为本发明的基于双掺杂晶体的全固态黄光激光器的结构示意图。
附图标记说明：1.半导体激光器LD1，2.第一光束整形模块，3.半导体激光器LD2，4.第二光束整形模块，5.偏振合束模块，6.聚焦透镜模块，7.谐振腔前腔镜，8.激光增益介质，9.谐振腔输出耦合镜，10.滤光片，11.泵浦系统，12.谐振腔。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1-3所示，本实施例的一种基于双掺杂晶体的全固态黄光激光器，包括泵浦系统11和谐振腔12。
泵浦系统11，其包括两个型号相同的用于发出两束偏振方向互相垂直的泵浦光的半导体激光器、分别位于两个半导体激光器的输出端的两个光束整形模块、用于将两束偏振方向互相垂直的泵浦光进行合束的偏振合束模块5以及聚焦透镜模块6。
两个半导体激光器型号相同且输出为互相垂直的偏振光，其中半导体激光器1水平放置，即P偏振，半导体激光器2垂直放置，即S偏振。
谐振腔12，位于聚焦耦合透镜的输出端，其包括谐振腔前腔镜7、双掺杂的激光增益介质8、谐振腔输出耦合镜9和滤光片10；双掺杂激光增益介质8包括Dy3+掺杂的氧化物基质以及辅助掺杂离子。
双掺杂激光增益介质8吸收泵浦光后，Dy3+中处于基态6H15/2的电子受激跃迁至4I15/2能级，随后无辐射地弛豫至亚稳态能级4F9/2，在谐振腔12内发生4F9/2→6H13/2的受激辐射放大，在输出耦合镜处获得黄光激光输出。
其中，双掺杂激光增益介质8的基质为Y3Sc2Ga3O12(YSGG)或GdScO3(GSO)。主掺杂离子为Dy3+，浓度为0.1％～10％；辅掺杂离子为Tb3+或Eu3+，浓度为0.1％～20％。
其中，滤光片10选用578～585nm波段的滤光片10。
其中，两个光束整形模块均为棱镜对或柱面镜对。聚焦透镜模块6为一片单透镜或一片非球面透镜。
两个光束整形模块(第一光束整形模块2和第二光束整形模块4)分别对两个半导体激光器发出的光进行光束整形，实现光斑圆化，然后输出至偏振合束模块5进行合束，合束后的泵浦光经过聚焦透镜模块6会聚至双掺杂的激光增益介质8；双掺杂激光增益介质8吸收泵浦光后，在谐振腔12内振荡，振荡光在由谐振腔前腔镜7和谐振腔输出耦合镜9组成的谐振腔12内被反馈放大，直至形成稳定振荡并输出黄光激光，黄光激光再经过578～585nm波段的滤光片10滤除输出光束中残余的泵浦光后输出。
作为一种优选的实施例，两个半导体激光器发出的泵浦光的波长均为400～500nm。
作为一种优选的实施例，谐振腔前腔镜7为平面镜，其左端面镀有对泵浦光透过率大于95％的增透膜，右端面镀有对振荡光反射率大于99.8％的高反膜；
作为一种优选的实施例，双掺杂的激光增益介质8左端面镀有对泵浦光和振荡光高透的膜系，右端面镀有对振荡光(也即黄光)高透的膜系；谐振腔输出耦合镜9为凹面镜，其左端面镀有对泵浦光增透，对振荡黄光部分透过的膜系，对振荡黄光的输出透过率0.1％～20％，输出耦合镜的曲率半径为50～200mm。
实施例1
在上述实施例的基础上，本实施例中，双掺杂激光增益介质8的基质为Y3Sc2Ga3O12(YSGG)，辅助掺杂离子为Tb3+。双掺杂激光增益介质8具体为Dy-Tb:Y3Sc2Ga3O12(YSGG)晶体。两个光束整形模块均选用棱镜对，聚焦透镜模块6选用一片单透镜。
本实施例通过Dy-Tb双掺杂的方式，实现Dy3+的6H13/2与Tb3+的7F4能级的共振能量转移，以具有高声子能量的氧化物YSGG为基质，通过多声子弛豫加速激光下能级的粒子数转移，通过上述两种方式减小激光下能级的能级寿命，实现粒子数的快速反转，提高激光输出的稳定性。
实施例2
与实施例1基本相同，不同之处在于双掺杂激光增益介质8的基质为GdScO3(GSO)，辅助掺杂离子为Tb3+，双掺杂激光增益介质8具体为Dy-Tb:GdScO3(GSO)晶体。两个光束整形模块均选用柱面镜对，聚焦透镜模块6选用一片单透镜。
实施例3
与实施例1基本相同，不同之处在于双掺杂激光增益介质8的基质为Y3Sc2Ga3O12(YSGG)，辅助掺杂离子为Eu3+，双掺杂激光增益介质8具体为Dy-Eu:YSGG晶体。聚焦透镜模块6选用非球面透镜。通过引入的共掺杂离子为Eu3+,利用Dy3+的6H13/2与Eu3+的7F4发生共振能量转移，减小激光下能级寿命。
实施例4
与实施例1基本相同，不同之处在于双掺杂激光增益介质8的基质为GdScO3(GSO)，辅助掺杂离子为Eu3+，双掺杂激光增益介质8具体为Dy-Eu:GSO晶体。两个光束整形模块均选用柱面镜对，聚焦透镜模块6选用非球面透镜。
以下还进行了本发明的实施例1-4与其他实施例的比较试验，其他实施例中主要是主掺杂离子、辅助掺杂离子和增益介质的基质不同，结果如下表1。
表1
Figure BDA0002200399410000061
由表1可知，其他实施例a、c、d的激光下能级具有较长的能级寿命，不能有效地实现激光上下能级布居数的反转分布，因而无法获得激光输出，本发明实施例引入辅助离子Tb3+或Eu3+，通过共振能量转移的方式加速激光下能级的粒子数消耗，获得激光输出。
对比本发明实施例与其他实施例e，本发明实施例的声子能量大于其他实施例e。高声子能量能够通过多声子弛豫的方式加速激光下能级的粒子数消耗，减小激光下能级的能级寿命。
对比本发明实施例3、4和其他实施例d、e，本发明实施例引入的辅助离子为Eu3+，Eu3+离子的5D2能级大于Dy3+离子的4F9/2能级，可以减少激光上能级4F9/2向Eu3+：5D2能级的转移，从而减小对激光上能级寿命的影响。
综上，相比于其他实施例，本发明实施例在加速激光下能级粒子数消耗方面所采取的措施为：1、引入辅助离子Tb3+/Eu3+；2、选择具有高声子能量的氧化物晶体作为掺杂基质。上述措施获得了很好的效果。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (7)

1.一种基于双掺杂晶体的全固态黄光激光器，其特征在于，包括：
泵浦系统，其包括两个型号相同的用于发出两束偏振方向互相垂直的泵浦光的半导体激光器、分别位于所述两个半导体激光器的输出端的两个光束整形模块、用于将两束偏振方向互相垂直的泵浦光进行合束的偏振合束模块以及聚焦透镜模块；
谐振腔，位于所述聚焦透镜模块的输出端，其包括谐振腔前腔镜、双掺杂激光增益介质、谐振腔输出耦合镜和滤光片；
所述双掺杂激光增益介质包括Dy3+掺杂的氧化物基质以及辅助掺杂离子；
所述双掺杂激光增益介质吸收泵浦光后，Dy3+中处于基态6H15/2的电子受激跃迁至4I15/2能级，随后无辐射地弛豫至亚稳态能级4F9/2，在谐振腔内发生4F9/2→6H13/2的受激辐射放大，产生黄光激光，依次经过所述谐振腔输出耦合镜和滤光片后输出；
所述双掺杂激光增益介质的基质为Y3Sc2Ga3O12或GdScO3；
所述双掺杂激光增益介质的主掺杂离子为Dy3+，浓度为0.1%~10%；所述辅助掺杂离子为Tb3+或Eu3+，浓度为0.1%~20%。
2.根据权利要求1所述的基于双掺杂晶体的全固态黄光激光器，其特征在于，所述两个半导体激光器发出的泵浦光的波长均为400~500 nm。
3.根据权利要求1所述的基于双掺杂晶体的全固态黄光激光器，其特征在于，所述两个光束整形模块均为棱镜对或柱面镜对。
4.根据权利要求1所述的基于双掺杂晶体的全固态黄光激光器，其特征在于，所述偏振合束模块为偏振分光棱镜，合束前的两束泵浦光偏振方向互相垂直，一束为P偏振，另一束为S偏振。
5.根据权利要求1所述的基于双掺杂晶体的全固态黄光激光器，其特征在于，所述聚焦透镜模块为一片单透镜。
6.根据权利要求1所述的基于双掺杂晶体的全固态黄光激光器，其特征在于，所述聚焦透镜模块为一片非球面透镜。
7.根据权利要求1所述的基于双掺杂晶体的全固态黄光激光器，其特征在于，所述双掺杂激光增益介质的前后表面都镀有对振荡光的增透膜系；所述双掺杂激光增益介质的前表面镀有对泵浦光增透的膜系，后表面镀有对泵浦光的高反膜系。
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