CN116254605B - 一种黄光自倍频晶体及黄光自倍频激光器 - Google Patents

Abstract

本申请一方面，提供了一种黄光自倍频晶体，所述黄光自倍频晶体为掺有铈元素和镱元素的晶体，所述Ce⁴⁺的掺杂浓度为0.1%~12%，所述Yb的掺杂浓度为1%~40%。本申请另一方面，还提供了一种黄光自倍频激光器，包括上述的黄光自倍频晶体，还包括激光光源和聚焦或输光组件。本申请的黄光自倍频晶体，对黄光的出光功率稳定，而利用上述黄光自倍频晶体制备的激光器设备，在从开始工作起，出光功率就能较为稳定，且使用时出光功率不会明显下降。

Description

一种黄光自倍频晶体及黄光自倍频激光器

技术领域

本申请涉及投线仪技术领域，具体涉及一种黄光自倍频晶体及黄光自倍频激光器。

背景技术

近年来，黄光逐渐在激光医疗、国防军工等领域发挥着越来越重要的作用。其中，以自倍频激光晶体YbYCOB为核心的黄光激光器具有体积小、结构简单、适合批量化特点，成为最重要的一种黄光光源，该光源在投线仪中具有广泛且重要的应用。

例如，市场上现有的一种投线仪采用黄光激光器作为光源，该光源在25℃条件下，使用895nm半导体泵浦源对Yb_0.15Y_0.85COB自倍频晶体进行泵浦，晶体角度按1140nm倍频方向最大非线性系数切割，两个光通光面光学抛光，晶体器件尺寸为1.3x1.3x2.0mm，晶体两个通光面分别光学镀膜。由半导体泵浦源发出895nm红外光，经聚焦镜进入YbYCOB自倍频晶体，产生570nm黄光激光。

然而，现有的黄光投线仪存在缺陷，现有的以YbYCOB自倍频晶体的黄光投线仪，从开始工作起，短时间内的出光功率极不稳定，需要运行一段时间后，出光功率才能稳定；同时，现有的以YbYCOB自倍频晶体的黄光投线仪，工作时的出光功率明显较低。

发明内容

为了解决上述至少一种技术问题，开发一种黄光出光功率在从开始工作起就能较为稳定的投线仪设备，本申请提供一种黄光自倍频晶体及黄光自倍频激光器。

一方面，本申请提供的一种黄光自倍频晶体，所述黄光自倍频晶体为掺有四价铈离子和三价镱离子的晶体，所述Ce⁴⁺的掺杂浓度为0.1%~12%，所述Yb的掺杂浓度为1%~40%。

通过采用上述技术方案，本申请采用掺有铈元素和镱元素的晶体，晶体出光功率稳定，无功率明显衰减现象，有效解决了现有技术中，自倍频晶体会黄光出光功率下降的问题。

可选的，所述四价铈离子和三价镱离子的掺杂浓度的比值控制在0.1%~30%。

可选的，所述四价铈离子和三价镱离子的掺杂总浓度为5%、10%或20%。

可选的，所述晶体选自硼酸钙氧钇晶体、硼酸钙氧钆晶体、硼酸钙氧钆钇晶体、钇铝石榴石晶体、钆镓石榴石晶体、硼酸铝钇晶体或光纤晶体中的一种。

进一步可选的，所述的掺有四价铈离子和三价镱离子的晶体为硼酸钙氧钇晶体，所述晶体的分子式为Ce⁴⁺ _xYb_yY_1-x-yCa₄O（BO₃）₃，所述Ce⁴⁺ _x的浓度x为0.1%~12%，所述Yb³⁺的浓度y为1%~40%，所述Ce⁴⁺ _x与所述Yb³⁺的总浓度为0.1%~30%。

另一方面，本申请还提供了一种黄光自倍频激光器，包括上述的黄光自倍频晶体，还包括激光光源和聚焦或输光组件。

通过采用上述技术方案，本申请采用掺有铈元素和镱元素的晶体作为自倍频晶体制备黄光自倍频激光器，黄光出光功率在从开始工作到之后60秒的时间内不会出现显著下降，设备运行时，出光功率稳定，且出光效率能够一直维持在较高效率水平，能够显著提高出光功率并降低能源消耗。

可选的，所述自倍频晶体的角度按输出光的最大非线性系数方向切割。

可选的，激光光源为半导体泵浦源，所述半导体泵浦源的波长为880nm~1000nm。

可选的，所述激光器输出波长控制在555nm~630nm。

可选的，所述聚焦或输光组件采用聚焦镜或光纤。

综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

1. 本申请采用掺有铈元素和镱元素的晶体，晶体功率稳定，无功率明显衰减现象，有效解决了现有技术中，自倍频晶体会黄光出光功率下降的问题。

2. 本申请晶体出光功率稳定，无功率明显衰减现象，制备的黄光自倍频激光器，黄光出光功率在从开始工作到之后60秒的时间内不会出现显著下降，设备运行时，出光功率稳定。

3. 本申请制备的黄光自倍频激光器出光效率能够一直维持在较高效率水平，能够显著提高出光功率并降低能源消耗。

4. 本申请制备的黄光自倍频激光器，利用特定设计的晶体使出光效率能够一直维持在较高效率水平，无需在设备中增设复杂的温控和角度调节机构，设备制造成本较低，使用成本也较低。

附图说明

图1为本申请离子浓度研究实验的出光功率的监测图；

图2为本申请对比例的出光功率的监测图；

图3为本申请实施例1的出光功率的监测图。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

本申请设计的一种黄光自倍频晶体，所述黄光自倍频晶体为掺有铈元素和镱元素的晶体，所述Ce⁴⁺的掺杂浓度为0.1%~12%，所述Yb的掺杂浓度为1%~40%。

目前，本领域普遍认为自倍频激光器的黄光投线仪出光效率，在不会引起晶体热效应显著变化的时间内，并不会发生显著变化。而目前的现有技术为了防止热效应的影响，通常都会对晶体施加有效散热手段，因此导致本领域技术人员普遍认为黄光投线仪的出光效率，并不会随着时间而变化。申请人偶然在一次实验中发现事实可能并非如此，申请人通过监测目前市售的黄光投线仪的出光功率发现，出光效率基本保持不变仅是在其工作开始后的60秒以后，但是从开始工作到60秒这段时间内，其出光效率却经历了一个急剧变化的过程，这个过程中出光效率随着时间增加而急剧下降，最终维持在了较低的水平。

基于上述发现，申请人对现有技术存在的问题进行了细致的实验研究。申请人首先验证了投线仪中激光晶体活性离子掺杂浓度是否下降的问题，即Yb³⁺离子的掺杂浓度是否随着工作时间的延长而出现下降。

申请人设计了实验，实验在25℃条件下，使用带有体光栅（VBG）的50W的976nm半导体泵浦源对Yb_0.15Y_0.85COB自倍频晶体进行泵浦，Yb_0.15Y_0.85COB自倍频晶体的晶体角度按1020nm倍频方向最大非线性系数切割，两个通光面光学抛光，晶体器件尺寸为2.0×2.0×6.0mm，晶体两个通光面分别光学镀膜。申请人改变Yb_0.15Y_0.85COB激光器的腔镜反射波长，使其反射峰值位于510nm，然后监测该绿光出光功率随时间变化情况。

实验监测结果如图1所示，该绿光出光功率较为稳定，并未因时间变化而发生较明显的改变。通过上述实验，基本可确定Yb³⁺离子的浓度并不会随着时间而有所变化。

然后，申请人对于整个过程使用精确的温控装置来控制晶体的温度始终处于同一温度上，以保证倍频效率不会出现变化，同时保证晶体不会出现热透镜等现象。然而，在该实验中，同样出现了黄光出光功率下降的问题。据此，在排除其他原因的前提下，申请人猜测黄光出光功率下降的原因在于黄光的发射截面随着时间而变小，由此导致黄光出光功率出现了较为明显的下降。

根据上述实验研究，申请人尝试利用各种手段来影响或改变黄光的发射截面，例如改变晶体温度、掺杂其他离子、改变切割方向等等。申请人经过不断尝试，最终发现只有掺杂Ce⁴⁺离子能够起到稳定激光输出、提升光转换效率的作用，其他所有手段均未能起到相同或类似作用。即使是掺杂Ce³⁺离子也不能起到稳定激光输出的作用，并且Ce⁴⁺离子掺杂浓度具有严格的要求。

基于上述实验研究，申请人对掺杂浓度进行了详细的实验后，设计了本申请的黄光自倍频晶体。

以下是本申请的实施例。

实施例1

本实施例设计了黄光自倍频晶体，采用Ce⁴⁺ _0.01Yb_0.15Y_0.84COB自倍频晶体。并采用上述黄光自倍频晶体，设计了黄光激光器。激光器的晶体角度按1140nm倍频方向最大非线性系数切割，两个光通光面光学抛光，晶体器件尺寸为1.3×1.3×2.0mm，晶体两个通光面分别光学镀膜。激光器采用895nm红外光半导体泵浦源，在半导体泵浦源和自倍频晶体之间设置聚焦镜用于对光聚焦。本实施例的半导体泵浦源发出的895nm红外光，经聚焦镜聚焦后，进入自倍频晶体，产生570nm黄光激光。

本申请还设计了其它多种黄光自倍频晶体，选择了硼酸钙氧钇晶体、硼酸钙氧钆晶体、硼酸钙氧钆钇晶体、钇铝石榴石晶体、钆镓石榴石晶体、硼酸铝钇晶体或光纤晶体。其中，Ce⁴⁺的掺杂浓度控制在0.1%～12%，Yb³⁺的掺杂浓度控制在1%～40%；Ce⁴⁺和Yb³⁺的掺杂浓度的比值分别1%、5%、10%、20%或30%。

本申请利用上述设计的多种黄光自倍频晶体，制备了黄光激光器。激光器的自倍频晶体的角度按输出光的最大非线性系数方向切割。激光光源为半导体泵浦源，波长为880nm~1000nm。所述激光器输出波长控制在555nm~630nm。

对比例

本申请以现有市售的黄光投线仪作为对比例。

投线仪使用895nm半导体泵浦源，以及Yb_0.15Y_0.85COB自倍频晶体。晶体角度按1140nm倍频方向最大非线性系数切割，两个光通光面光学抛光，晶体器件尺寸为1.3×1.3×2.0mm，晶体两个通光面分别光学镀膜。

监测对比例和实施例1的出光功率，以判断本申请的自倍频晶体是否有效。具体监测结果见图2和图3。

根据图2和图3可以看出，现有的黄光投线仪的出光功率自工作开始由约40mW在大约60秒内直接下降到了约5mW，之后大体上维持在5mW左右；而本申请实施例1的黄光激光器的出光功率从最开始一直到大约1000秒时间内都没有明显降低，始终维持在30~35mW区间内。由此可以看出，本申请的自倍频晶体能够有效维持黄光的高出光功率，进而提升出光效率。

申请人将其它实施例制备的黄光激光器均进行了实验监测，其监测结果与本申请实施例1的结果类似，出光功率均能始终维持在30mW以上。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种黄光自倍频晶体，其特征在于，所述黄光自倍频晶体为掺有四价铈离子和三价镱离子的晶体，所述的掺有四价铈离子和三价镱离子的晶体为硼酸钙氧钇晶体，所述晶体的分子式为Ce⁴⁺ _xYb_yY_1-x-yCa₄O（BO₃）₃，所述Ce⁴⁺的浓度x为0.1%~12%，所述Yb³⁺的浓度y为1%~40%。

2.根据权利要求1所述的一种黄光自倍频晶体，其特征在于，所述四价铈离子和三价镱离子的掺杂浓度的比值控制在0.1%~30%。

3.根据权利要求2所述的一种黄光自倍频晶体，其特征在于，所述四价铈离子和三价镱离子的掺杂总浓度为5%、10%或20%。

4.根据权利要求1所述的一种黄光自倍频晶体，其特征在于，所述Ce⁴⁺与所述Yb³⁺的总浓度为0.1%~30%。

5.一种黄光自倍频激光器，其特征在于，包括如权利要求1所述的黄光自倍频晶体，还包括激光光源和聚焦或输光组件。

6.根据权利要求5所述的黄光自倍频激光器，其特征在于，所述自倍频晶体的角度按输出光的最大非线性系数方向切割。

7.根据权利要求5所述的黄光自倍频激光器，其特征在于，激光光源为半导体泵浦源，所述半导体泵浦源的波长为880nm~1000nm。

8.根据权利要求5所述的黄光自倍频激光器，其特征在于，所述激光器输出波长控制在555nm~630nm。

9.根据权利要求5所述的黄光自倍频激光器，其特征在于，所述聚焦或输光组件采用聚焦镜或光纤。