半導體雷射器泵浦的中紅外固體雷射器的製作方法
2023-04-22 19:40:16 1
專利名稱：半導體雷射器泵浦的中紅外固體雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及全固態雷射器，特別是一種半導體雷射器泵浦的中紅外固體雷射器。
背景技術：
日益發展的環境、工程、醫學、生物和化學等學科，使得1～3μm超短脈衝和金屬摻雜晶體超寬帶連續雷射器獲得了巨大的進步。金屬離子摻雜的超寬脈衝中紅外固體雷射器越來越多的應用在氣體檢測、遙感、通信、眼科醫學、神經外科等領域。
超寬吸收波段的摻鉻硒化鋅Cr:ZnSe晶體具有一些很顯著的特點高的發射截面σem＝1.3×10-18cm2，可以忽略的激發態吸收，非常好的化學和機械穩定性，與藍寶石相近的熱傳導係數。這些特點使得這種材料作為二極體直接泵浦的中紅外雷射器和放大器的增益介質有很大的潛力。Cr2+:ZnSe具有高的發射截面，短的輻射壽命，小的晶體分裂區域，其中心波長在紅外區域，在1.8μm附近有寬的吸收帶，發射帶寬在2～3.4μm之間。
Cr2+ZnSe雷射器獲得雷射輸出，泵浦光源的選擇是至關重要的。因為Cr2+離子的吸收峰在1.75μm附近，而目前在這一波段能夠提供有效泵浦的雷射器屈指可數，這些泵浦光源主要有調諧範圍在1.6～2.1μm的Co2+:MgF2雷射器，1.9～2.1μm的摻Tm3+，Ho3+雷射器，～1.6μm的摻鉺雷射器，～1.6μm的NaCl:OH色心雷射器，～1.6μm的拉曼頻移Nd:YAG雷射器，～1.6μm的拉曼光纖雷射器，1.6～1.9μm的InGaAsP/InP半導體雷射器。
目前半導體雷射器陣列直接泵浦的Cr:ZnSe雷射器面臨一個顯著的矛盾直接使用半導體雷射器泵浦時，國內可獲得的半導體雷射器波長小於1.6μm，泵浦光在ZnSe晶體中的增益係數小，因而雷射輸出功率比較低。而使用其它波長相對較大的雷射器泵浦時，在功率提高的同時必然導致雷射器整體體積的增大而喪失其部分優勢。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提供一種半導體雷射器泵浦的中紅外固體雷射器，該雷射器應具有成本較低，結構簡潔的優點，有效地解決目前ZnSe雷射器面臨的矛盾。
本發明的技術解決方案如下一種半導體雷射器泵浦的中紅外固體雷射器，在一光路上依次由半導體雷射器、聚焦透鏡、輸入鏡、雷射介質、輸出鏡組成，其特徵在於所述的雷射介質是由摻銩鋁酸釔(以下簡稱為Tm:YAP)晶體和摻鉻硒化鋅(以下簡稱為Cr:ZnSe晶體鍵合在一起構成的鍵合晶體，所述的摻銩鋁酸釔晶體和摻鉻硒化鋅晶體的連接界面與該雷射器諧振腔的軸線方向成布儒斯特角。
所述的摻銩鋁酸釔晶體的輸入端面鍍增透膜＜0.5％@790nm，含義是該增透膜是中心波長在790nm，反射率小於0.5％(以下相同，恕不重複)；所述的摻鉻硒化鋅晶體的輸出端面鍍增透膜＜0.5％@2400nm。
所述的輸入鏡鍍膜＜0.5％@790nm，＞99.5％@1900nm2400nm，該膜層具有對790nm增透，反射率小於0.5％，對1900nm和2400nm波長高反，反射率大於99.5％。所述的輸出鏡鍍高反膜99.5％@790nm1900nm，95％@2400nm。
所述的鍵合晶體置於一半導體製冷模塊中。
所述的Tm:YAP晶體和Cr:ZnSe晶體的連接面，加工成布儒斯特角，以保證Tm:YAP晶體產生的1900nm的雷射充分進入Cr:ZnSe晶體裡。
所述的布儒斯特角是根據布儒斯特定律確定的，光從折射率為n1的介質射向折射率為n2的介質時，當入射角滿足tan ib＝n2/n1時，即入射角為布儒斯特角時，反射光就變為振動方向垂直於入射面的完全偏振光，而折射光仍為部分偏振光。
在輸入鏡上鍍高反膜(99.5％@2400nm)，在輸出鏡上鍍高反膜(95％@2400nm)，這樣保證了波長2400nm的雷射在輸入鏡和輸出鏡之間形成振蕩。為保證2400nm波長雷射在Cr:ZnSe晶體的出射，在晶體的輸出端面鍍增透膜(＜0.5％@2400nm)。
本發明與現有技術相比具有如下優點1、可以直接使用普通波長790nm、808nm的InGaAsP/InP半導體雷射器作為Cr:ZnSe晶體的泵浦源，而不必擔心其波長在Cr:ZnSe晶體中增益係數低的問題。
2、將摻雜Tm2+的YAP晶體和摻雜Cr2+的ZnSe晶體通過擴散鍵合的方法連接在一起，實現了1900nm和2400nm雷射放大，泵浦光和雷射在同一個諧振腔內振蕩，使得雷射器結構大大簡化。
3、本發明具有結構簡單、成本較低、光能利用率高等優點，有效地提高了半導體雷射器直接泵浦Cr:ZnSe雷射器的輸出功率。
圖1，本發明實施例的雷射器光路圖。
圖2，本發明實施例的晶體連接圖。
圖3，本發明實施例中Tm:YAP晶體的三視圖(正視、俯視、左視圖)。
圖4，本發明實施例中Cr:ZnSe晶體的三視圖(正視、俯視、左視圖)。
圖5，本發明實施例中的製冷模塊立體圖。
具體實施例方式
下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。
先請參閱圖1，圖1是本發明實施例的雷射器光路圖。由圖可見，本發明半導體雷射器泵浦的中紅外固體雷射器，在一光路上依次由半導體雷射器1、聚焦透鏡2、平面輸入鏡3、雷射介質4、平面輸出鏡5組成，其特徵在於所述的雷射介質4是由摻銩鋁酸釔晶體和摻鉻硒化鋅晶體鍵合在一起構成的鍵合晶體，摻銩鋁酸釔晶體和摻鉻硒化鋅晶體的連接界面與所述的諧振腔的軸線方向成布儒斯特角。
將兩塊雷射晶體連接面加工成特定角度的平面，使得1900nm的泵浦光通過晶體界面時，大部分光通過折射進入Cr:ZnSe晶體中。1900nm波長在Tm:YAP晶體中的折射率為n1＝1.9，在Cr:ZnSe晶體中的折射率為n2＝2.4，根據布儒斯特定律入射角為tan ib＝n2/n1，得到兩塊雷射晶體的鍵合面與軸線方向的夾角為38.4°，ZnSe晶體輸出端面角度為76.7°，雷射垂直於Cr:ZnSe晶體端面出射。如圖2所示。
鍵合後的複合雷射晶體兩端面和輸入、輸出鏡面上進行鍍膜處理1.Tm:YAP晶體輸入端面鍍增透膜＜0.5％@790nm2.Cr:ZnSe晶體輸出端面鍍增透膜＜0.5％@2400nm3.輸入鏡鍍膜＜0.5％@790nm，＞99.5％@1900nm2400nm4.輸出鏡鍍高反膜99.5％@790nm1900nm，95％@2400nm所述的鍵合晶體置於一半導體製冷模塊中。使用半導體製冷模塊對晶體進行冷卻控溫，代替了龐大的水冷系統使用兩塊半圓形槽紫銅熱沉，將晶體放置在中間的圓形槽中，熱沉中打孔放置熱敏電阻或熱電偶對晶體溫度進行監測，熱沉下方通過導熱矽膠粘接熱電製冷片，並通過螺釘與熱端的散熱片固定，如圖5所示。鍵合晶體放置在圓形槽中，上熱沉6、下熱沉7通過螺釘將晶體固定在中間，熱電製冷片8對熱沉進行製冷，熱量通過散熱片9傳輸到周圍空氣中，熱沉中放置熱電偶10對晶體溫度進行監測，並通過熱電製冷控制器對熱電製冷片進行控制，將晶體溫度控制在20℃附近。泵浦光源使用波長為790nm或808nm的InGaAsP/InP半導體雷射器陣列，輸出功率40W，條形光斑經過透鏡2壓縮後透過輸入平面鏡3聚焦到Tm:YAP晶體前端面，激勵Tm:YAP晶體中的Tm3+，得到1900nm的雷射輸出。該1900nm的雷射作為Cr:ZnSe晶體的泵浦光源，激勵Cr2+離子，得到2400nm波長的雷射輸出，從Cr:ZnSe晶體輸出端面垂直出射，並在輸出鏡5和輸入鏡3之間振蕩放大，並可選擇以1～10％比例的輸出。
權利要求
1.一種半導體雷射器泵浦的中紅外固體雷射器，在一光路上依次由半導體雷射器(1)、聚焦透鏡(2)、平面輸入鏡(3)、雷射介質(4)、平面輸出鏡(5)組成，其特徵在於所述的雷射介質(4)是由摻銩鋁酸釔晶體和摻鉻硒化鋅晶體鍵合在一起構成的鍵合晶體，摻銩鋁酸釔晶體和摻鉻硒化鋅晶體的連接界面與所述的諧振腔的軸線方向成布儒斯特角。
2.根據權利要求1所述的中紅外固體雷射器，其特徵是所述的摻銩鋁酸釔晶體的輸入端面鍍增透膜＜0.5％@790nm；所述的摻鉻硒化鋅晶體的輸出端面鍍增透膜＜0.5％@2400nm。
3.根據權利要求1所述的中紅外固體雷射器，其特徵是所述的輸入鏡(3)鍍膜＜0.5％@790nm，＞99.5％@1900nm2400nm，所述的輸出鏡(5)鍍高反膜99.5％@790nm1900nm，95％@2400nm。
4.根據權利要求1所述的中紅外固體雷射器，其特徵是所述的鍵合晶體置於一半導體製冷模塊中。
全文摘要
一種半導體雷射器泵浦的中紅外固體雷射器，在一光路上依次由半導體雷射器、聚焦透鏡、輸入鏡、雷射介質、輸出鏡組成，其特徵在於所述的雷射介質是由摻銩鋁酸釔(以下簡稱為Tm:YAP)晶體和摻鉻硒化鋅(以下簡稱為Cr:ZnSe晶體鍵合在一起構成的鍵合晶體，所述的摻銩鋁酸釔晶體和摻鉻硒化鋅晶體的連接界面與該雷射器諧振腔的軸線方向成布儒斯特角。本發明在保持ZnSe雷射器結構簡單的特點的同時有效地提高了輸出功率。
文檔編號H01S3/06GK101060228SQ20071004050
公開日2007年10月24日 申請日期2007年5月10日 優先權日2007年5月10日
發明者楊勇, 徐劍秋 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所