用四硼酸鋁釔釹單晶體製造的雷射器件的製作方法

2023-06-06 18:43:16

專利名稱：用四硼酸鋁釔釹單晶體製造的雷射器件的製作方法
技術領域：
本發明闡述一種用具有雷射和非線性效應的複合功能材料NdxY1-XAl3(BO3)4(X＝0.03-0.08)晶體製造的雷射器件。
隨著雷射技術及應用的發展，人們渴望著一種具有雷射性能又具有非線性效應的複合功能材料的出現，從而對直接發射可見雷射的晶體材料及其器件的研究產生極大的興趣。七十年代以前，美國和蘇聯科學家雖報導了在LiNbO3晶體中摻入Tm3+和Nd3+離子來獲得複合功能晶體的研究工作，並用Nd3+∶LiNbO3晶體開展了自倍頻雷射實驗。但由於這種晶體摻入電價和離子半徑不匹配的Nd3+後，光學均勻性變差，因而未能進入應用領域。1983年蘇聯科學家研製成功Nd0.2Y0.8Al3(BO3)4複合功能晶體，並實現了從1.32μm到0.66μm的雷射自倍頻效應。1986年山東大學晶體材料研究所用熔鹽法生長出NdxY1-XAl3(BO3)4(X＝0.05-0.15)晶體，以可調諧染料雷射器的587.8nm波長雷射作為激勵源，實現了該晶體以1.06μm到0.53μm的受激發射和自倍頻雷射運轉，但是，這種用一臺本身就能調諧到0.53μm(而且，輸出能量較大)的雷射器來激勵晶體，以得到倍頻雷射輸出的器件，並沒有多少實用價值。
本發明者深入研究了這種材料的結構與性能之間的關係，發現它是一種很理想的自倍頻雷射晶體材料，它的結合能大，使它有很大的硬度也因此有較大的熱導率和很好的物理化學穩定性，且不因摻入Nd3+產生晶體光學均勻性的降低，又具有弱的濃度猝滅效應，從而允許摻入較多的Nd3+離子，這是微小型器件要求有較大的增益係數所必須的。
本發明者根據雷射自倍頻的具體實驗條件，修改了非線性耦合方程，研究了晶體棒長度和Nd3+摻雜濃度與倍頻效率的關係，確定了X值的範圍為X＝0.03-0.08。
本發明的目的是用高效率的雷射自倍頻晶體材料NYAB即NdxY1-XAl3(BO3)4製成可供實用的小型雷射器件，其主波長在0.532μm處。
本發明的目的是這樣來實現的用NdxY1-XAl3(BO3)4(X＝0.03-0.08)單晶體做雷射自倍頻工作物質，用非相干光源或相干光源作泵浦源，產生0.532μm和0.660μm波長的雷射。這種非相干光源可以是小型直管燈，或螺旋燈或環形燈，也可以是發光二極體，工作狀態可以是脈衝的，也可以是連續的。可以是氙燈，也可以是氪燈。而相干光源是雷射光源。可以是單個的，也可以是陣列的;可以是脈衝的，也可以是連續的。可以是雷射二極體，也可以是雷射二極體陣列。該單晶體可以按Ⅰ類，也可以按Ⅱ類的相匹配方向切割成不同尺寸的雷射棒。作為泵浦源的非相干或相干光源可以放在雷射棒側部，也可以放在雷射棒的端部。
本發明人經過大量實驗研究，發現在NdxY1-XAl3(BO3)4單晶中，當X值為0.030至0.080時，雷射自倍頻效應較好，這時生長出了摻Nd3+均勻及光學質量好的較大尺寸的晶體，該晶體按第Ⅰ類和第Ⅱ類相匹配方向切割成不同尺寸的雷射棒都能產生0.532μm和0.660μm波長的雷射輸出，其中按第Ⅰ類相匹配方向切割的雷射棒的倍頻光強約是按第Ⅱ類相匹配方向切割的倍頻光強的四倍左右。
NdxY1-XAl3(BO3)4(X＝0.03-0.08)單晶體的結構屬於三方晶系、空間群為R32，負單軸晶。a＝b＝9.293 ,c＝7.245 .它存在著兩類相匹配方式Ⅰ類和Ⅱ類，所謂位相匹配是指在晶體的特定方向上基頻與倍頻光滿足相干增強條件，即△
＝0(K＝ (nω)/(c) )(其中K為波矢;n為相應波長的折射率;c為光速;ω為圓頻率)在同軸位相匹配條件下，基頻光與倍頻光的傳播方向共線，故△K＝0，於是有(1)對Ⅰ類位相匹配方式(o+o→e)Nωo＝N2ωe(θⅠm)(2)對Ⅱ類位相匹配方式(o+e→e)Nωo+Nωe(θⅡm)＝2N2ωe(θⅡm)詳細的推導見劉恩泉等人[《光學學報》Vol.7No.2，p139-142]的報導。該晶體的有效非線性係數為XⅠeff＝F2(θⅠm，φ，d11)＝d11CosθⅠmCos3φXⅡeff＝F1(θⅡm，φ，d11)＝d11CosθⅡmSin3φ其中d11為該晶體的非線性係數，φ為晶體對a軸的方位角，θm為對C軸的夾角，即Ⅰ類和Ⅱ類相位匹配角。
並求得Nωo＝1.7553;Nωe＝1.6869;
N2ωo＝1.7808;N2ωe＝1.7050。
θⅠm＝32°54′ θⅡm＝51°2′且當φ＝n (π)/3 時;XⅠeff有極大值XⅠeff＝0.8235dllXⅡeff＝0.4032d11XⅠeff＝2.04XⅡeff由於倍頻光強與有效非線性係數的平方成正比，所以，Ⅰ類相匹配的倍頻光強是Ⅱ類位相匹配強度的4倍。
本發明者還發現NdxY1-XAl3(BO3)4(X取0.03-0.08)晶體的物化性能良好，硬度大，不潮解，不解理，能耐強酸強鹼，光學均勻性好，抗損傷能力強，有較大的熱導率。這是優於LiNbO3晶體的地方，並且是可以長期正常使用而不會損壞或使性能降低的雷射工作物質。同時，其閾值低，可以用普通的閃光燈作為泵浦源。該泵浦源可以是非相干光源，且在588nm、748nm、807nm處附近至少有一處有發射峰，在這上述三個波長附近的發射峰越強，則晶體的工作效率就越高，目前常用的氪燈、氙燈及光譜匹配的雷射二極體都是較好的泵浦源。當泵浦源以脈衝方式工作時，出射的雷射是脈衝式的;當泵浦源工作方式是連續的，則出射的雷射也是連續的。並且隨著泵浦能量的增加，雷射輸出的能量迅速上升。我們已測得雷射束的發散角為θ＝2.3mrad，雷射輸出為線性偏振光，準直性好。


附圖1是實施例一的示意圖;
附圖2是實施例二的示意圖;
附圖3是實施例三的示意圖。
下面再結合實施例和附圖對本發明做進一步的說明。
實施例一如附圖1的裝置，①是NdxY1-xAl3(BO3)4(X＝0.03-0.08)雷射晶體棒;②是直管或環形或螺旋形氙燈;③是對1.06μm和0.53μm全反射的介質鏡;④是對1.06μm波長全反射而對0.53μm波長全透過的介質鏡;⑤是濾光鏡，它對1.06μm波長全反射，對0.53μm波長全透過;⑥是LPE-1A雷射能量計;⑦是脈衝雷射電源;⑧是聚光腔，為單橢圓腔，雷射棒和泵浦光源分別置於其中的一個焦點上。該單橢圓腔的長軸2a＝10mm，短軸為2b＝8.6mm，e＝ (c)/(a) ＝0.51，用黃銅加工，內側拋光鍍銀。
LPE-1A能量計用於測量雷射輸出能量。
如果把脈衝氙閃光燈換成重複率脈衝氙燈或連續發光的氪燈，則可做成重複率或連續的NYAB[NdxY1-XAl3(BO3)4]固體雷射器。這時最好裝配冷卻裝置，如用水冷、風冷或半導體致冷都可達到目的。
實施例二如附圖2的裝置，其中①是NdxY1-XAl3(BO3)4(X＝0.03-0.08)雷射晶體棒;②是發光二極體陣列或雷射二極體陣列。在雷射棒側面鍍膜，以會聚泵浦光，把聚光腔略去;③是對1.06μm波長和0.53μm波長全反射的介質鏡;④是對1.06μm波長全反射對0.53μm波長全透過的介質鏡。
實施例三如附圖3的裝置，其中①是NdxY1-XAl3(BO3)4(X＝0.03-0.08)雷射晶體棒;②是高強度發光二極體或雷射二極體或雷射二極體陣列;③是對1.06μm和0.53μm波長全反射而對8000 -8100 波長範圍具有高透過率的介質膜，可直接鍍在晶體端面上;④是對1.06μm波長全反射，對0.53μm波長全透過的輸出介質鏡，也可將介質膜直接鍍在該雷射棒的端面上;⑤是望遠鏡系統以調整泵浦光束的孔徑及準直度。
需要進一步說明的是對雷射棒的要求，平面度小於1/4光圈;光潔度為V級;垂直度小於20秒，平行度小於10秒，這是一般光學精密加工工藝中都能夠做到的。
實施例四本發明者用φ3mm×25mm脈衝氙燈作為泵浦源激勵φ3.5mm×12.16mm的NYAB雷射棒，用LPE-1A型雷射能量計和Tektronix466存儲示波器等儀器進行參數測量，其具體指標如下雷射閾值～57.3mJ雷射輸出～3mJ(調Q)脈衝寬度(自由振蕩)～100ns(調Q)5-8ns光束偏振度＞90%光束髮散度2mrad(毫弧度)
同時，從示波器拍下雷射脈衝波形。
本發明者還用44W平面光柵單色儀測出NYAB發射的綠色雷射波長為0.5320μm。
本器件的主要優點在於，能用普通商品化的小閃光燈作為激勵源，並且根據不同需要可做成體積小、重量輕、耗電少的小型實用器件，便於帶到交通不便的高原、山區及偏僻的鄉村中去。本發明者已製成用筆形電池(5號電池)供電的小器件，體積為42mm×72mm×135mm，重量少於400克。
本發明的意義在於研製出一種小型的用非相干光源或相干光源泵浦的發射綠色雷射的固體雷射器件，並使它在雷射醫療、雷射全息照相、雷射高速攝影等領域獲得應用。
進一步要說明的是，本領域的普通技術人員能夠用光學均勻性好，按相位匹配方向切割成雷射棒的NdxY1-XAl3(BO3)4(X＝0.03-0.08)晶體設計成其他多種應用領域所需要的雷射頭，如雷射測速場、雷射水下通訊、雷射鑽孔、高空攝影等領域，這些均不可能超出本發明的構思和保護範圍。
權利要求
1.一種小型固體雷射器件，其特徵在於使用[NdxY1-xAl3(BO3)4](X取0.03-0.08)單晶體作自倍頻雷射工作物質，用非相干光源或相干光源作泵浦源，產生0.0532μm和0.660μm波長的雷射。
2.如權利要求1所述的小型固體雷射器件，其特徵在於所述的[NdxY1-xAl3(BO3)4](X＝0.03-0.08)單晶體可以按Ⅰ類或Ⅱ類的相匹配方向切割成不同尺寸的雷射棒，產生0.532μm和0.660μm波長的雷射。
3.如權利要求1或2所述的小型固體雷射器件，其特徵在於作為泵浦源的非相干光源是小型直管燈或螺旋燈或環形燈。
4.如權利要求3所述的小型固體雷射器件，其特徵在於所述的非相干光源可以是脈衝的，也可以是連續的。
5.如權利要求1、2、3或4所述的小型固體雷射器件，其特徵在於所述非相干光源可以是氙燈，也可以是氪燈或其他光譜匹配的強非相干光源。
6.如權利要求5所述的小型固體雷射器件，其特徵在於所述的非相干光源可以置於雷射棒的側面，也可以置於雷射棒的端面。
7.如權利要求1、2所述的小型固體雷射器件，其特徵在於所述相干光源可以是雷射二極體或雷射二極體陣列。
8.如權利要求7所述的小型固體雷射器件，其特徵在於所述的相干光源可以是脈衝的，也可以是連續的。
9.如權利要求8所述的小型固體雷射器件，其特徵在於所述的相干光源可以置於雷射棒的側面，也可以置於雷射棒的端面。
10.如權利要求7所述的小型固體雷射器件，其特徵在於所述作為泵浦源的相干光源的雷射二極體或雷射二極體陣列，其發射波長處於7000
-8500
範圍，主峰處於7400
-7500
或8000
-8100
處。
全文摘要
本發明闡述一種具有雷射和非線性效應複合功能的小型雷射器件。器件中使用的自倍頻雷射晶體為NYAB[NdxYi-xAl
文檔編號H01S3/16GK1047765SQ89103818
公開日1990年12月12日 申請日期1989年6月1日 優先權日1989年6月1日
發明者邱閩旺, 黃奕川, 江愛棟, 羅遵度 申請人:中國科學院福建物質結構研究所