摻鐿鈣鈮石榴石晶體及雷射器件的製作方法

2023-06-01 13:09:31 4

專利名稱：摻鐿鈣鈮石榴石晶體及雷射器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種端面泵浦雷射晶體和器件，具體涉及摻鐿鈣鈮石榴石晶體及雷射器件。
背景技術：
利用摻鐿雷射晶體是最簡單、最緊湊的半導體泵浦固體產生超快雷射輸出的手段。其特 點是直接利用半導體雷射泵浦雷射晶體，再加上雷射諧振腔，可以實現高效的lpm以上波長 的雷射輸出，其輸出光束質量、方向性、單色性都優於泵浦雷射的近紅外雷射。在添加主動、 被動調Q元件、瑣模器件或非線性光學晶體之後，可以實現基頻雷射的調Q、超快脈衝雷射輸 出，或倍頻雷射輸出，是獲得脈衝或超快脈衝雷射輸出的有效手段。這種雷射器具有結構緊 湊、效率高、光束質量好、操作簡便、成本低，以及便於工業化批量生產等優點。它的發展 將引發固體雷射領域的實質性技術革命，在醫療、環保、科研等許多領域具有廣闊需求。產 生該類型的雷射器的泵浦方式主要分為兩種端面泵浦、側面泵浦。側面泵浦的光學耦合系 統相對簡單，散熱效果好，可以獲得較高功率輸出，但整個器件的尺寸較大，轉換效率也不 高。端面泵浦具有晶體尺寸小、光學耦合效率高、泵浦光與雷射模式匹配好的優點，因而整 體而言雷射器轉換效率較高，易於獲得高光束質量的雷射輸出，但其缺點是散熱效果差，一 般只能工作在低功率水平下。因此為雷射晶體製造端面泵浦雷射器件提供合適的晶體材料， 是本領域研究人員正在努力研究的課題。

發明內容
本發明針對現有技術的不足，提供一種摻鐿鈣鈮石榴石晶體及雷射器件，該摻鐿鈣鈮石 榴石晶體雷射器件可以產生連續和脈衝雷射輸出，輸出功率高、穩定性好、轉換效率高、光 束質量好。
本發明的摻鐿離子的鈣鈮石榴石晶體具有如下通式
Yb:Ca3(NbGa)2.xGa30I2(簡稱為Yb:CNGG),X= 0.1500 0.2250,Yb摻雜濃度為小於30 at.%。 該晶體屬立方晶系，空間群Ia3d，晶胞參數a=b=c=12.492A。
上述摻鐿轉鈮石榴石晶體，組成晶體的各原料組分可以按照化學計量比的摩爾比配置， 通過提拉方法製備出晶體，對生長的晶體進行加工、拋光後使用。
上述摻鐿l丐鈮石榴石晶體作為雷射晶體製造端面泵浦的雷射器件，並可與聲光調Q、電光 調Q、被動調Q、鎖模等元件組合構成連續和脈衝雷射器件。
所述的雷射晶體，為Yb:Ca3(NbGa)^Ga30！2， X= 0.1500 0.2250，其中Yb為摻雜的雷射活 性離子，濃度為小於30at.y。。
所述雷射晶體的通光面尺寸為圓形或方形，通光方向厚度可以根據需要設計， 一般為
0.2-10 mm。
一種雷射晶體製造的雷射器件，在雷射晶體兩個端面直接鍍適當的介質膜用作雷射腔鏡， 利用半導體雷射器(LD)或其他類型雷射器端面泵浦雷射晶體輸出固體雷射。優選地,936nm 或970 nm半導體雷射泵浦Yb:CNGG晶體實現1035-1056nm雷射輸出。
一種雷射晶體製造的被動調Q脈衝雷射器件，將雷射晶體與被動調Q元件(可飽和吸收體, 如Cr":YAG)放置在雷射腔內，雷射晶體和調Q元件鍍可降低(消除)反射損耗的介質膜，利 用半導體雷射器或其他類型雷射端面泵浦雷射晶體產生被動調Q脈衝雷射。優選地，936nm或 970 nm半導體雷射泵浦Yb:CNGG晶體實現1035-1056nm被動調Q脈衝雷射輸出。
一種雷射晶體製造的鎖模雷射器件，將雷射晶體放置在雷射腔內，雷射晶體鍍有利於端面 泵浦、雷射諧振和脈衝雷射輸出的介質膜,利用半導體飽和吸收體的一個面作為腔鏡,對使用半 導體或其他類型雷射端面泵浦雷射晶體,半導體飽和吸收體對雷射進行鎖模,輸出鎖模雷射。
一種雷射晶體製造的主動(聲光和電光)調Q脈衝雷射器件，將雷射晶體與主動調Q器件 放置在雷射腔內，雷射晶體和調Q元件鍍可降低(消除)反射損耗的介質膜，利用半導體雷射 器或其他類型雷射端面泵浦雷射晶體產生主動調Q脈衝雷射。優選地，936nm或970 nm半導體 雷射泵浦Yb: CNGG晶體實現1035-1056nm主動調Q脈衝雷射輸出。
一種雷射晶體製造的被動調Q腔內倍頻脈衝雷射器件，將雷射晶體、被動調Q元件(可飽 和吸收體，如Cr":YAG)和用作倍頻的非線性光學晶體放置到雷射腔內，雷射晶體，非線性 光學晶體和調Q元件鍍可降低(消除)反射損耗的介質膜，利用半導體雷射器或其他類型雷射
端面泵浦雷射晶體產生可見被動調Q脈衝雷射。
一種雷射晶體製造的主動調Q腔內倍頻脈衝雷射器件，將雷射晶體、主動調Q器件和用作 倍頻的非線性光學晶體放置到雷射腔內，泵浦輸出主動調Q腔內倍頻脈衝雷射。雷射晶體，非 線性光學晶體和調Q元件鍍可降低(消除)反射損耗的介質膜，利用半導體雷射器或其他類型 雷射端面泵浦產生可見主動調Q脈衝雷射。 本發明的優良效果如下
本發明採用摻鐿鈣鈮石榴石(Yb:CNGG)晶體作為雷射晶體製造端面泵浦雷射器件，並可與 非線性光學、調Q等元器件組合構成變頻、脈衝等雷射器件。摻鐿鈣鈮石榴石(Yb:CNGG)晶體 具有可高摻雜(不產生濃度猝滅)、受激發射截面大、上能級壽命長、吸收係數大、吸收帶寬、 發射帶寬等優點，雷射輸出的量子效率高，因此容易能獲得高高效率雷射輸出。由於摻鐿鈣 鈮石榴石(Yb:CNGG)晶體具有無序的晶體結構，也容易獲得超快脈衝雷射輸出。本發明所述的 雷射晶體為摻鐿鈣鈮石榴石(Yb: CNGG)晶體及其由這些晶體產生的雷射器件。


圖l是Yb:CNGG晶體結構圖，其中，a、 b、 c為晶軸。 圖2實施例1生長晶體的照片，晶體尺寸0)25 X 45mm3。
具體實施例方式
實施例l:摻鐿離子的鈣鈮石榴石晶體，Yb:Ca3Nb,.6875Ga3.i語0,2(Yb:CNGG)， x=0.1875， 其中Yb摻雜濃度為5at.M。
原料組分按照化學計量比的摩爾比配置，用提拉法生長上述組分的晶體，生長晶體的照 片如圖l所示，晶體尺寸為①25X45mm3。按常規方法對晶體進行加工、拋光，晶體可以鍍 1035-I056nm的增透膜，也可以不鍍膜。
實施例2:用實施例l雷射晶體製造的雷射器件，970 nm半導體雷射泵浦Yb:CNGGG晶體實 現1035-1056nm雷射輸出。
所述的Yb:CNGG晶體在970nm附近有一強的吸收峰，吸收峰帶寬達到20nm，實際可產生的 雷射譜線位於1010-1060nm範圍內，帶寬可達50 nm。利用簡單的平一凹諧振腔端面泵浦可實 現1035-1056nm範圍的雷射輸出。平面泵浦端鏡鍍介質膜使其對970 nm的泵浦光高透，同時 對1010-1060mn的振蕩光高反，球面輸出耦合鏡(曲率半徑<100mm)在~1 pm的透過率為 T = 0.5%-20%。將鍍增透膜的Yb:CNGG晶體緊靠泵浦端鏡放置在諧振腔內，即構成一個緊湊的 全固態雷射器件。泵浦端鏡也可以直接鍍在Yb:CNGG晶體的一個端面上，使器件更加小型化。
實施例3:用實施例l雷射晶體製造的雷射器件，936nm半導體雷射泵浦Yb:CNGG晶體實現 1035-1056nm雷射輸出。
Yb:CNGG晶體在936nm附近也存在一個強的吸收峰，吸收峰帶寬達到40nm。如將實施例l 中的泵浦端鏡的鍍膜改為對泵浦光936 nm高透，對1010-1060 nm的振蕩光高反，球面輸出耦 合鏡(曲率半徑<100mm)在~1 ^111的透過率為丁 = 0.5%-20%。將鍍增透膜的Yb:CNGG晶體 緊靠泵浦端鏡放置在諧振腔內，即構成一個緊湊的全固態雷射器件。泵浦端鏡也可以直接鍍 在Yb:CNGG晶體的一個端面上，使器件更加小型化。
實施例4: 970nm半導體雷射泵浦Yb:CNGG晶體實現1035-1056nm主動調Q脈衝雷射輸出。
把電光調Q或聲光調Q器件放置到實施例2的雷射諧振腔內，電光調Q或聲光調Q器件鍍 1035-1056nm的增透膜。這便是一個970nm半導體雷射垂直於入射端面泵浦，1035-1056nm主
動調Q脈衝雷射輸出的雷射器件。
實施例5: 936nm半導體雷射泵浦實現Yb:CNGG晶體實現1035-1056nm主動調Q脈衝雷射輸出。
把電光調Q或聲光調Q器件放置到實施例2的雷射腔內，電光調Q或聲光調Q器件鍍 1035-1056nm的增透膜。這便是一個936nm半導體雷射垂直於入射端面泵浦，1035-1056nm主
動調Q脈衝雷射輸出的雷射器件。
實施例6: 970nm半導體雷射泵浦Yb:CNGG晶體實現1035-1056nm被動調Q脈衝雷射輸出。 把被動調Q器件(如C,+:YAG, GaAs)放置到實施例2的雷射腔內，被動調Q元件鍍
1035-1056nm的增透膜。這便是一個970nm半導體雷射垂直於入射端面泵浦，1035-1056nm被動調Q脈衝雷射輸出的雷射器件。
實施例7: 936nm半導體雷射泵浦實現Yb:CNGG晶體實現1035-1056nm被動調Q脈衝雷射輸出。
把被動調Q器件(如C,:YAG, GaAs)放置到實施例3的雷射腔內，被動調Q器件鍍 1035-1056nm的增透膜。這便是一個936nm半導體雷射垂直於入射端面泵浦，1035-1056nm被 動調Q脈衝雷射輸出的雷射器件。
實施例8: 970nm半導體雷射泵浦實現Yb:CNGG晶體實現可見綠光雷射輸出。
把倍頻器件(如LBO、 p-BBO、 BiBO、 KTP等)放置到實施例2的雷射腔內，倍頻器件 鍍1035-1056nm的增透膜，輸出鏡鍍介質膜對振蕩基頻光全反，對可見綠光高透。這便是一個 970nm半導體雷射垂直於入射端面泵浦，實現可見綠光雷射輸出的雷射器件。
實施例9: 936nm半導體雷射泵浦Yb:CNGG晶體實現可見綠光雷射輸出。
把倍頻器件(如LBO、 (3-BB0、 BiBO、 KTP等)放置到實施例3的雷射腔內，倍頻器件 鍍1035-1056nm的增透膜，輸出鏡鍍介質膜對振蕩基頻光全反，對可見綠光高透。這便是一個 936nm半導體雷射垂直於入射端面泵浦，實現可見綠光雷射輸出的雷射器件。
實施例10:摻鐿離子的鈣鈮石榴石晶體Yb:Ca3Nb,704Ga3.!6O,2(Yb:CNGG), x=0.16，其中 Yb摻雜濃度為8at.。/。。用提拉法生長上述組分的晶體，對晶體進行加工、拋光(晶體可以鍍 1035-1056nm的增透膜，也可以不鍍膜)。雷射實施例同上實施例2-9。
實施例ll:摻鐿離子的鈣鈮石榴石晶體Yb:Ca3Nbi。 668Ga3.220,2( Yb:CNGG)， x=0.22，其 中Yb摻雜濃度為10at.。/。。用提拉法生長上述組分的晶體，對晶體進行加工、拋光(晶體可以 鍍1035-1056nm的增透膜，也可以不鍍膜)。雷射實施例同上實施例2-9。
權利要求
1.摻鐿鈣鈮石榴石晶體，具有通式Yb:Ca3(NbGa)2-xGa3O12，X＝0.1500～0.2250，Yb摻雜濃度為小於30at.％，該晶體屬立方晶系，空間群Ia3d，晶胞參數a＝b＝c＝12.492。
2. 權利要求l所述的摻鐿鈣鈮石榴石晶體作為雷射晶體製造端面泵浦的雷射器件的應用。
3. 如權利要求2所述的摻鐿鈣鈮石榴石晶體的應用，其特徵在於，所述雷射晶體的通光面 尺寸為圓形或方形，通光方向厚度為0.2-10mm。
4. 如權利要求2所述的摻鐿鈣鈮石榴石晶體的應用，其特徵在於，在雷射晶體兩個端面直 接鍍介質膜用作雷射腔鏡，利用半導體雷射器或其他類型雷射器端面泵浦雷射晶體輸出固體 雷射。
5. 如權利要求2所述的摻鐿鈣鈮石榴石晶體的應用，其特徵在於，所述雷射晶體與聲光調 Q、電光調Q、被動調Q或鎖模元件組合構成連續或脈衝雷射器件。
6. 如權利要求5所述的摻鐿鈣鈮石榴石晶體的應用，其特徵在於，將雷射晶體與被動調Q 元件可飽和吸收體C,+:YAG放置在雷射腔內組成被動調Q脈衝雷射器件，雷射晶體和調Q元件 鍍可降低反射損耗的介質膜，利用半導體雷射器或其他類型雷射端面泵浦雷射晶體產生被動 調Q脈衝雷射。
7. 如權利要求5所述的摻鐿鈣鈮石榴石晶體的應用，其特徵在於，將雷射晶體放置在雷射 腔內組成鎖模雷射器件，雷射晶體上鍍有利於端面泵浦、雷射諧振和脈衝雷射輸出的介質膜， 利用半導體飽和吸收體的一個面作為腔鏡，對使用半導體或其他類型雷射端面泵浦雷射晶體， 半導體飽和吸收體對雷射進行鎖模，輸出鎖模雷射。
8. 如權利要求5所述的摻鐿鈣鈮石榴石晶體的應用，其特徵在於，將雷射晶體與主動調Q 器件放置在雷射腔內組成主動聲光和電光調Q脈衝雷射器件，雷射晶體和調Q元件鍍可降低反 射損耗的介質膜，利用半導體雷射器或其他類型雷射端面泵浦雷射晶體產生主動調Q脈衝激 光。
9. 如權利要求5所述的慘鐿鈣鈮石榴石晶體的應用，其特徵在於，其特徵在於將雷射晶 體、被動調Q元件可飽和吸收體Cr":YAG和用作倍頻的非線性光學晶體放置到雷射腔內組成 被動調Q腔內倍頻脈衝雷射器件，雷射晶體、非線性光學晶體和調Q元件鍍可降低反射損耗的 介質膜，利用半導體雷射器或其他類型雷射端面泵浦雷射晶體產生可見被動調Q脈衝雷射。
10. 如權利要求5所述的摻鐿鈣鈮石榴石晶體的應用，其特徵在於，將雷射晶體、主動調Q 器件和用作倍頻的非線性光學晶體放置到雷射腔內組成主動調Q腔內倍頻脈衝雷射器件，激 光晶體、非線性光學晶體和調Q元件鍍可降低反射損耗的介質膜，利用半導體雷射器或其他 類型雷射端面泵浦產生可見主動調Q脈衝雷射。
全文摘要
摻鐿鈣鈮石榴石晶體及雷射器件，屬於雷射晶體和器件領域。摻鐿離子的鈣鈮石榴石晶體具有通式Yb∶Ca3(NbGa)2-xGa3O12(簡稱為Yb∶CNGG)，X＝0.1500～0.2250，Yb摻雜濃度為小於30at.％。用Yb∶CNGG作為雷射晶體製造端面泵浦的連續和脈衝雷射器件，並可與聲光調Q、電光調Q、被動調Q、鎖模等元器件組合構成連續和脈衝等雷射器件。本方法製作的雷射器具有簡單、緊湊、閾值低、輸出功率高、穩定性好、轉換效率高、光束質量好、操作簡單、成本低，以及便於工業化的大批量製造等優點。
文檔編號C30B29/10GK101187062SQ20071014709
公開日2008年5月28日 申請日期2007年9月5日 優先權日2006年9月19日
發明者劉均海, 張懷金, 王繼揚, 蔣民華, 陶緒堂 申請人:山東大學