專利名稱：一種鉺鐿共摻上轉換透明陶瓷激光器的制作方法
技術領域：
本實驗發(fā)明設計一種利用鉺鐿稀土離子共同摻雜具有上轉換發(fā)光性能的透明陶瓷為激光增益介質的透明陶瓷激光器。
背景技術：
隨著激光技術的發(fā)展，激光增益介質的研究也日趨深入，目前用于固體激光器的增益介質主要包括激光晶體、摻雜稀土離子的玻璃以及透明陶瓷。但激光晶體生長周期較長、尺寸較小、生產(chǎn)成本過高，并且稀土摻雜濃度較低，此外晶體所具有的解理性使其機械強度相對較弱；而另一種激光增益介質-激光玻璃的生產(chǎn)工藝簡單，可摻雜的稀土離子濃度較高，但是其較差的機械性能和熱學性能不能滿足大功率體制運轉。激光晶體和玻璃的上述缺點都制約了它們在激光領域的應用，而激光技術高速發(fā)展，對激光器的輸出指標要求的不斷提高都促使著新型激光材料的產(chǎn)生，激光透明陶瓷以其具有高熱導率，高機械強度，制備工藝簡單，可以實現(xiàn)大尺寸化，并且能夠實現(xiàn)高濃度稀土離子摻雜等優(yōu)點，出現(xiàn)之后便在激光領域具有了重要的應用。目前，國內外對玻璃和單晶中鉺鐿稀土離子共摻發(fā)光的研究較多，但對于透明陶瓷基質下鉺鐿稀土離子共摻發(fā)光的研究較少。本實驗中采用的基質材料為Y2O3，其物化性質均比較穩(wěn)定，聲子能量較低，其熱導率約為常用工作物質YAG 的兩倍，且二者熱膨脹系數(shù)相似，因此Y2O3是具有廣闊研究前景的新型激光工作物質。目前，國內外對于稀土離子摻雜透明陶瓷激光器的研究主要集中在紅外波段，對于稀土離子摻雜透明陶瓷的上轉換發(fā)光性質在激光方面的應用研究較少，本發(fā)明設計一種利用鉺鐿稀土離子共同摻雜具有上轉換發(fā)光性能的透明陶瓷作為激光增益介質的透明陶瓷激光器，其發(fā)射波長為紅綠可見波段，不同于以往研究中以稀土離子摻雜為增益介質得到的紅外波段激光。本發(fā)明中激光器諧振腔內不含有非線性變頻晶體，在獲得可見波段激光方面不同于以往需要通過倍頻技術得到紅綠波段激光，進而使激光輸出效率也相應提聞，有效提聞系統(tǒng)總體穩(wěn)定性，更有利于激光器實現(xiàn)結構小型化?；趪鴥韧鈱︺s鐿稀土離子共摻發(fā)光的研究，得出由于Er3+的吸收截面較低，因此選用較高濃度的Yb3+作為敏化劑，能有效地消除Er3+的濃度猝滅現(xiàn)象，并且由于Er3+和Yb3+間吸收帶重疊較大，因此能夠大大提高Er3+的抽運效率。圖2為Yb3+， Er3+IY2O3透明陶瓷吸收光光譜，根據(jù)對二者吸收波段的測量，得到在980nm處Er3+和Yb3+ 有共同的強吸收峰，如圖3為980nm波段激光抽運下Er3+和Yb3+離子上轉換發(fā)光示意圖。從圖中可以看出，Er3+在980nm抽運光作用下產(chǎn)生的上轉換發(fā)光包括了基態(tài)吸收 (Ground state absorption—GSA) 4I15/2(Er3+)+photon — 4I11/2(Er3+);和激發(fā)態(tài)吸收 (Excited state absorption-ESA) 4I1172 (Er3+) +photon 4F772 (Er3+);以及交叉弛豫現(xiàn)象 (Cross-relaxation—CR) 4I11/2 (Er3+) +4I1172 (Er3+) — 4F7/2 (Er3+)+4I15/2 (Er3+)。在加入敏化離子Yb3+后，由于Yb3+離子在980nm抽運光作用下吸收截面大于Er3+離子的吸收截面，因此， Yb3+離子吸收了大部分抽運光，并與Er3+離子產(chǎn)生能量轉移4115/2 (Er3+) +2F572 (Yb3+) — 4I1172 ( Er3+) +2F772 (Yb3+)，4I1172 (Er3+) +2F572 (Yb3+) — 4F772 (Er3+) +2F772 (Yb3+)。上轉換發(fā)光具體過程可表述如下對于綠光波段輸出，敏化離子Yb3+吸收一個紅外光子，使得處于2F7/2態(tài)的電子躍遷到2F5/2態(tài)，隨后Yb3+離子將能量傳遞給Er3+離子對其進行激發(fā)，使Er3+離子4115/2基態(tài)的電子躍遷至％1/2態(tài)上，Yb3+離子2F7/2基態(tài)上的電子再吸收一個紅外光子，躍遷到2F5/2激發(fā)態(tài)后，將能量傳遞給Er3+離子的4111/2激發(fā)態(tài)上的電子，使電子躍遷到4F7/2激發(fā)態(tài)上，若經(jīng)過無輻射弛豫過程到2H11/2激發(fā)態(tài)上，再躍遷回4115/2基態(tài)，就發(fā)出540nm的綠光，或者經(jīng)過無輻射弛豫過程到4S3/2態(tài)上，再躍遷回4115/2基態(tài)，激發(fā)出548nm的綠光。對于紅光波段輸出，敏化離子Yb3+吸收一個紅外光子，使得處于2F7/2態(tài)的電子躍遷到2F5/2態(tài)，隨后Yb3+離子將能量傳遞給Er3+離子激發(fā)Er3+離子，使處于4115/2基態(tài)的電子躍遷至4111/2激發(fā)態(tài)，然后通過無輻射弛豫過程到達％3/2態(tài)上，Yb3+離子2F7/2基態(tài)上的電子再吸收一個紅外光子，躍遷到2F5/2激發(fā)態(tài)后，將能量傳遞給Er3+的4Iiv2激發(fā)態(tài)上的電子，使其躍遷到4F9/2態(tài)上，然后4F9/2態(tài)上的電子躍遷回4115/2基態(tài)，激發(fā)出660nm的紅光。根據(jù)對透明陶瓷工作物質發(fā)光譜線的測量，得到發(fā)光譜線圖如圖4所示，從圖中可以看出，在采用980nm紅外光抽運情況下，同時得到了 550nm綠光以及660nm紅光譜線。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出一種利用鉺鐿稀土離子共同摻雜具有上轉換發(fā)光性能的透明陶瓷為激光增益介質的透明陶瓷激光器。本發(fā)明技術方案一種透明陶瓷激光器，整體結構包括LD端面抽運源，耦合透鏡組，鍍有相應膜系的全反鏡，透明陶瓷增益介質，鍍有相應膜系的輸出鏡。其中LD端面抽運源使用發(fā)光中心波段為980nm的激光二極管，耦合透鏡組鍍有980nm增透膜。所選用的增益介質是以Y2O3為基質，Yb3+、Er3+離子共同摻雜制成的透明陶瓷。透明陶瓷兩通光端面鍍有與激光工作波長以及抽運光波長相對應的增透膜。諧振腔全反鏡鍍有980nm增透膜， 以及根據(jù)工作波長而選定的全反膜系；諧振腔輸出鏡鍍有針對工作波長具有一定透過率的膜系。激光器可根據(jù)透明陶瓷基質中摻雜稀土離子比例不同而獲得不同波段的激光，其中 550nm發(fā)光譜線由4Sv2 — 4I1572能級間躍遷獲得，660nm發(fā)光譜線由4F9/2 — 4I1572能級間躍遷獲得。本發(fā)明中激光器基于上轉換發(fā)光機制，可直接實現(xiàn)可見波段激光輸出，進而可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)倍頻激光器，省略其中倍頻晶體，有效實現(xiàn)綠色或紅色激光高效輸出以及激光器結構小型化。


圖I為透明陶瓷激光器結構示意圖。圖2為Yb3+，Er3+IY2O3透明陶瓷吸收光光譜。圖3為Yb3+、Er3+在980nm抽運下上轉換發(fā)光示意圖。圖4為Yb3+，Er3+IY2O3透明陶瓷發(fā)射光光譜。圖5為透明陶瓷脈沖激光器結構示意圖。
具體實施方式
一種鉺鐿共摻上轉換透明陶瓷激光器，其結構示意圖如圖I、圖5所示。圖I結構中，從左至右分別為I. LD端面抽運源，2.耦合透鏡組，3.諧振腔全反鏡，4.上轉換透明陶瓷增益介質，5.諧振腔輸出鏡。圖5結構中，從左至右分別為I. LD端面抽運源，2.耦合透鏡組，3.諧振腔全反鏡，4. Q開關，5.透明陶瓷增益介質，6.諧振腔輸出鏡。本發(fā)明中激光器所選用的增益介質是以Y2O3為基質，Yb3+、Er3+離子共同摻雜制成的透明陶瓷。透明陶瓷兩通光端面鍍有與激光工作波長以及抽運光波長相對應的增透膜； LD抽運源采用中心波段為980nm的半導體激光器，其結構可采用LD bar條直接抽運，也可采用光纖耦合輸出進行抽運；耦合輸出鏡均鍍有980nm增透膜，通過優(yōu)化計算，合理設置耦合透鏡間距，以使980nm抽運光與激光工作物質基模體積相匹配，達到較好的耦合效果；諧振腔全反鏡與輸出鏡分別鍍有與工作波長相匹配的全反以及一定透過率的膜系；如圖5結構中，Q開關可根據(jù)具體實施情況選擇主動式電光或聲光Q開關，或者被動Q開關。具體實施方法一激光器結構示意圖如圖I所示，從左至右分別為I. LD端面抽運源，2.耦合透鏡組，
3.諧振腔全反鏡，4.透明陶瓷增益介質，5.諧振腔輸出鏡。以發(fā)射中心波長為980nm的半導體抽運模塊為抽運源1，其結構可采用LD bar條直接抽運，也可采用光纖耦合輸出進行抽運，其發(fā)射的抽運光經(jīng)過鍍有980nm增透膜的耦合透鏡組2進入諧振腔內，首先經(jīng)過鍍有980nm增透膜以及550nm全反膜的全反鏡3,然后進入通光端面鍍有550nm增透膜的Yb, EriY2O3上轉換透明陶瓷增益介質4，最后經(jīng)過鍍有550nm波段具有一定透過率的輸出鏡5 在諧振腔內往返振蕩，獲得550nm波段的連續(xù)綠色激光輸出。具體實施方法二 激光器結構示意圖如圖I所示，從左至右分別為I. LD端面抽運源，2.耦合透鏡組，
3.諧振腔全反鏡，4.透明陶瓷增益介質，5.諧振腔輸出鏡。以發(fā)射中心波長為980nm的半導體抽運模塊為抽運源1，其發(fā)射的抽運光經(jīng)過鍍有980nm增透膜的耦合透鏡組2進入諧振腔內，首先經(jīng)過鍍有980nm增透膜以及660nm全反膜的全反鏡3，然后進入通光端面鍍有 660nm增透膜的Yb，Er = Y2O3上轉換透明陶瓷增益介質4，最后經(jīng)過鍍有660nm波段具有一定透過率的輸出鏡5在諧振腔內往返振蕩，獲得660nm波段的連續(xù)紅色激光輸出。具體實施方法三激光器結構示意圖如圖I所示，從左至右分別為I. LD端面抽運源，2.耦合透鏡組，
3.諧振腔全反鏡，4.透明陶瓷增益介質，5.諧振腔輸出鏡。以發(fā)射中心波長為980nm的半導體抽運模塊為抽運源I，其發(fā)射的抽運光經(jīng)過鍍有980nm增透膜的耦合透鏡組2進入諧振腔內，首先經(jīng)過鍍有980nm增透膜以及550nm和660nm雙波段全反膜的全反鏡3，然后進入通光端面鍍有550nm以及660nm增透膜的Yb, Er: Y2O3上轉換透明陶瓷增益介質4,最后經(jīng)過鍍有550nm和660nm雙波段具有一定透過率的輸出鏡5在諧振腔內往返振蕩，獲得550nm 和660nm波段的連續(xù)綠色和紅色雙波段激光輸出。具體實施方法四前三種實施方法均為獲得小功率連續(xù)激光輸出，主要用于醫(yī)療、通訊以及效果演示等方面，但在激光的許多應用中，往往需要高功率的脈沖激光，因此可采用腔內調Q的方法實現(xiàn)高峰值功率脈沖激光輸出。激光器結構示意圖如圖5所示，從左至右分別為I. LD端面抽運源，2.耦合透鏡組，3.諧振腔全反鏡，4. Q開關，5.透明陶瓷增益介質，6.諧振腔輸出鏡。此實施方法較前面提到的方法間主要區(qū)別是在諧振腔內加入一個Q開關，本實驗中可選用調制效果較好的電光Q開關或者聲光Q開關，亦可采用結構簡單，穩(wěn)定的被動Q開關，均能夠獲得高峰值功率的脈沖激光輸出。本實施方法中其它技術手段與前三種實施方法相同，可通過選用鍍有不同膜系的諧振腔腔鏡獲得不同波段(550nm、660nm)或者雙波段 (550nm和660nm)激光輸出。
權利要求
1.一種鉺鐿共摻上轉換透明陶瓷激光器，整體結構包括LD端面抽運源，耦合透鏡組， 鍍有相應波段全反膜系的全反鏡，透明陶瓷增益介質，鍍有相應波段一定透過率膜系的輸出鏡。其中LD端面抽運源使用發(fā)光中心波段為980nm的激光二極管，耦合透鏡組均鍍有 980nm增透膜。
2.如權利要求I所述的鉺鐿共摻上轉換透明陶瓷激光器，其特征在于本發(fā)明中的激光器可基于稀土離子上轉換發(fā)光機制，根據(jù)透明陶瓷基質中摻雜稀土離子不同比例直接獲得550nm或660nm可見波段的激光。
3.如權利要求I所述的鉺鐿共摻上轉換透明陶瓷激光器，其特征在于所選用上轉換透明陶瓷增益介質為Er3+、Yb3+離子共同摻雜制成的透明陶瓷，其基質選用Y2O3透明陶瓷。 上轉換透明陶瓷兩通光端面鍍有與激光工作波長以及抽運光波長相對應的增透膜。
4.如權利要求I所述的鉺鐿共摻上轉換透明陶瓷激光器，其特征在于諧振腔全反鏡鍍有980nm增透膜，以及與工作波長相對應的全反膜系；諧振腔輸出鏡鍍有針對工作波長具有一定透過率的膜系。
5.如權利要求I所述的鉺鐿共摻上轉換透明陶瓷激光器，其特征在于可通過調Q技術在諧振腔內加入主動或被動Q開關以對連續(xù)激光進行調Q，達到輸出高峰值功率脈沖激光的目的。
全文摘要
本發(fā)明設計一種鉺鐿共摻上轉換透明陶瓷激光器，主要器件包括半導體激光抽運源、激光器諧振腔腔鏡以及激光工作物質。其中激光工作物質選用摻雜鉺鐿稀土離子的具有上轉換發(fā)光性能的透明陶瓷。本設計的特征在于通過選用具有上轉換發(fā)光性能的透明陶瓷作為激光器工作物質，能夠直接獲得綠色或紅色激光輸出，不同于以往綠光或紅光激光器需要通過倍頻輸出的體制，使激光輸出效率相應提高，有效提高系統(tǒng)總體穩(wěn)定性，更有利于激光器實現(xiàn)結構小型化。
文檔編號H01S3/17GK102610993SQ20121004608
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月28日 優(yōu)先權日2012年2月28日
發(fā)明者于永吉, 何洋, 吳春婷, 王超, 金光勇, 陳薪羽 申請人:長春理工大學