一類鉺離子激活硼酸鹽雷射晶體及其製備方法與用途的製作方法

2023-05-01 00:59:51

專利名稱：一類鉺離子激活硼酸鹽雷射晶體及其製備方法與用途的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射晶體和器件領域。
背景技術：
1.5—1.6pm波段處於光纖通信窗口和大氣傳輸窗口，而且該波段雷射對人眼 安全，因此1.5-1.6pm波段雷射器被廣泛應用於國防和民用領域。此外，其 750-800nrn波段的倍頻雷射還可用於光譜分析、微量氣體探測、醫學以及環境 監測等眾多領域。目前，獲得1.5-1.6nm波段雷射器的技術途徑主要有以下三種
(1) 半導體雷射器直接輸出；
(2) 利用非線性光學技術將1.06|^im波段的Ncf+固體雷射轉換到 1.5-1.6pm波段；
(3) 半導體泵浦摻E一+離子的固體材料實現1.5-1.6pm波段雷射輸出。 其中，第一種途徑的半導體雷射由於輸出光束質量較差，雷射波長隨工作溫度 和輸出功率而變化，在許多實際應用中受到了限制；第二種途徑是將常見的 1.06pm波段雷射經過頻率轉換間接獲得1.5-1.6pm波段雷射，整個雷射器系統 結構複雜，穩定性和可靠性較差且成本較高；第三種途徑是通過E一+離子 4113/2—4115/2能級躍遷實現固體雷射輸出，有望同時實現高光束質量和穩定可靠的 1.5-1.6pm波段的雷射運轉。目前實現此波段雷射輸出且運轉效率和輸出功率均 較高的的基質晶體材料主要有LaSc3(B03)4、硼酸鈣氧鹽和硼鋁酸鹽等晶體。 這些硼酸鹽晶體物化性能穩定，製備成本低廉，因而受到廣泛的關注

發明內容
本發明的目的在於製備一類可作為固體雷射增益介質的以E產為激活離子 的硼酸鹽晶體，通過控制晶體中E^離子和其它敏化離子的濃度，實現1.5-1.6pm 波段雷射運轉。
本發明包括如下技術方案
1. 一類E產離子激活的硼酸鹽雷射晶體，該類晶體的分子式為 ErxRyRe(2.x.y)M3(B03)4，其中x=0.05—10mol%， y=0-60mol%， R為Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Tb、 Dy、 Ho、 Tm、 Yb稀土元素中某一元素或若干元素的組 合，Re為Sc、 Y、 La、 Gd、 Lu元素中某一元素或若干元素的組合，M為Sr、 Ca、 Ba等鹼土金屬元素中某一元素或若干元素的組合，R為敏化劑，該類晶 體屬於正交晶系，為雙軸晶，空間群為Pnma，該類晶體的單胞參數為 a=8.79(24)A， b=16.40(65)A， c=7.47(27)A， a=p=y,。
2. 如項1所述晶體的製備方法，所述晶體採用提拉法進行生長，其製備工藝如 下採用符合ErJlyRe(2.x.y)M3(B03)4摩爾比的MC03、 Er203、 R203、 Re203 和過量l-5moiy。的H3B03為原料，使其固相反應充分，然後將反應後的產物 置於單晶提拉爐中進行晶體生長，拉速為0.5-3.0mm/h，轉速為10-30rpm， 縱向的固液界面溫度差為10-30°C，最後經退火完成生長過程。
3. —種輸出1.5-1.6iLim波段雷射的固體雷射器，由泵浦系統、雷射腔和雷射增 益介質組成，該雷射器以項l所述的雷射晶體作為增益介質，採用發射光能 被該雷射晶體有效吸收的泵浦源。
4. 如項3所述的雷射器，直接在雷射晶體的兩端面鍍膜，構成一臺沒有入射腔 鏡和出射腔鏡的雷射器。
5. —種輸出1.5-1.6)im波段雷射的可調諧雷射器，在項3所述固體雷射器的雷射腔中插入調諧元件，獲得1.5-1.6pm波段的可調諧雷射運轉。
6. —種輸出1.5-1.6]iim波段雷射的脈衝雷射器，在項3所述固體雷射器的雷射 腔中插入調Q或鎖模元件，獲得1.5-1.6pm波段的脈衝雷射運轉。
7. —種輸出750-800nm波段雷射的倍頻雷射器，在項3所述固體雷射器的雷射 腔中插入非線性光學晶體，獲得750-800nm波段的倍頻雷射運轉。
8. —種輸出750-800nm波段雷射的倍頻脈衝雷射器，在項7所述倍頻雷射器的 雷射晶體與非線性光學晶體之間插入調Q或鎖模元件，實現750—800nm波 段的倍頻脈衝雷射輸出。
前述項5所述的可調諧雷射器，可將輸入腔鏡膜和輸出腔鏡膜直接鍍在激 光晶體的泵浦端面和調諧元件的雷射輸出端面，構成沒有入射腔鏡和出射腔鏡 的雷射器。也可將雷射晶體和調諧元件粘貼在一起。
前述項6所述的脈衝雷射器，可將輸入腔鏡膜和輸出腔鏡膜直接鍍在雷射 晶體的泵浦端面和調Q或鎖模元件的雷射輸出端面，構成沒有入射腔鏡和出射 腔鏡的雷射器。也可將雷射晶體和調Q或鎖模元件粘貼在一起。
前述項7所述的倍頻雷射器，可將輸入腔鏡膜和輸出腔鏡膜直接鍍在雷射 晶體的泵浦端面和非線性光學晶體的雷射輸出端面，構成沒有入射腔鏡和出射 腔鏡的雷射器。也可將雷射晶體和非線性光學晶體粘貼在一起。
前述項8所述的倍頻脈衝雷射器，可將輸入腔鏡膜和輸出腔鏡膜直接鍍在 雷射晶體的泵浦端面和非線性光學晶體的雷射輸出端面，構成沒有入射腔鏡和 出射腔鏡的雷射器。也可將雷射晶體，調Q或鎖模元件，非線性光學晶體三者 粘貼或部分粘貼在一起。
實施本發明技術方案具有的有益效果是ErxRyRe(2-x.y)M3(B03)4雷射晶體在空氣中不潮解、可用提拉法生長、製備成本較低，生長的晶體具有良好的熱、
機械和化學穩定性；以EivRyRe(2.x.y)M3(B03)4晶體為增益介質可以實現1.5-1.6pm 波段的雷射輸出；ErS+離子在該類晶體中還具有較寬的發射帶，因此以 ErxRyRe(2.x.y)M3(B03)4晶體為增益介質還可實現可調諧和超短脈衝雷射輸出。
具體實施例方式
實例1: 970nm半導體雷射端面泵浦採用提拉法生長的E一+7Y^+雙摻 Y2Sr3(B03)4晶體實現1567nm雷射輸出。
稱取1.30g的Er203、 21.48g的Yb203、 63.86g的Y203、 150.89g的SrC03 和86.80g的H3B03，將這五種原料一起置於瑪瑙研缽中研磨混合均勻，用油壓 機以2噸/cm2的壓強壓成塊體，分別在500°C和1000°C各燒20小時，然後再 把燒結的原料取出來研磨、壓片、燒結，這樣反覆操作3次以使原料固相反應 充分，然後將反應後的產物轉入銥坩堝中，置入氮氣氣氛保護下的單晶提拉爐 中進行晶體生長。生長時先將固相反應物升溫熔化，熔化溫度為1315°C，在高 出熔化溫度30。C處恆溫2小時，緩慢降溫至熔化溫度以上5°C，引入籽晶。經 引種、放肩、等徑生長，拉速為1.5-2.0mm/h，轉速為10-20rpm，縱向的固液 界面溫度差為10-30°C，最後退火完成生長過程。生長得到尺寸大於 小20mmx40mm的Er證Ybo.32YL66Sr3(B03)4優質透明單晶。然後將1.6mm厚的晶 體(端面積一般在平方毫米到平方釐米)端面拋光後置於雷射腔中，入射鍍膜 腔鏡在970nm波長處高透、1567nm波長處高反(R>99%)，出射鍍膜腔鏡在970nm 波長處高反(R>98%) 、 1567nm波長處透過率為1.5%。利用970nm半導體雷射 端面泵浦，此雷射器即可輸出斜率效率達16%,輸出功率達760mW的1567nm 雷射。將其中一面或兩面介質膜鍍在晶體通光面上亦可構成雷射器件，並實現同樣的目的。
實例2: 970nm半導體雷射端面泵浦採用提拉法生長的Ei^/YbS+雙摻 Gd2Sr3(B03)4晶體實現1551nm雷射輸出。
稱取1.93g的Er203、 26.50g的Yb203、 95.67g的Gd203、 148.卯g的SrC03 和S5.65g的H3B03，將這五種原料一起置於瑪瑙研缽中研磨混合均勻，用油壓 機以2.5噸/cm2的壓強壓成塊體，分別在500°C和1000°C各燒結20小時，然後 再把燒結的原料取出來研磨、壓片、燒結，這樣反覆操作3次以使原料固相反 應充分，然後將反應後的產物轉入銥坩堝中，置入氬氣氣氛保護下的單晶提拉 爐中進行晶體生長。生長時先將固相反應物升溫熔化，熔化溫度為1450°C，在 高出熔化溫度30。C處恆溫2小時，緩慢降溫至烙化溫度以上5。C，引入籽晶。 經引種、放肩、等徑生長，拉速為1.0-3.0mm/h，轉速為10-30rpm，縱向的固 液界面溫度差為10-30°C，最後退火完成生長過程。生長得到尺寸大於 (20mmx50mm的Er謹Yb,GdL57Sr3(B03)4優質透明單晶。然後將l.Omm厚的晶 體(端面積一般在平方毫米到平方釐米)端面拋光後置於雷射腔中，入射鍍膜 腔鏡在970nm波長處高透、1551nm波長處高反(R〉99Q/。)，出射鍍膜腔鏡在970nm 波長處高反(R>98%) 、 1551nm波長處透過率為3.5%。利用970nm半導體雷射 端面泵浦，此雷射器即可輸出斜率效率達13%，輸出功率達400mW的1551nm 雷射。將其中一面或兩面介質膜鍍在晶體通光面上亦可構成雷射器件，並實現 同樣的目的。
實例3: 970nm半導體雷射端面泵浦採用提拉法生長的E產/YbS+雙摻 Y2Ca3(B03)4晶體實現1564nm雷射輸出。
稱取1.30g的Er203、 33.57g的Yb203、 56.94g的Y203、 102.30g的CaC03 和86.80g的H3B03，將這五種原料一起置於瑪瑙研缽中研磨混合均勻，用油壓機以3噸/0112的壓強壓成塊體，分別在500°C和1000°C各燒結20小時，然後 再把燒結的原料取出來研磨、壓片、燒結，這樣反覆操作3次以使原料固相反 應充分，然後將反應後的產物轉入銥坩堝中，置入氮氣氣氛保護下的單晶提拉 爐中進行晶體生長。生長時先將固相反應物升溫熔化，熔化溫度為H50。C，在 高出熔化溫度30。C處恆溫2小時，緩慢降溫至熔化溫度以上5。C，引入籽晶。 經引種、放肩、等徑生長，拉速為0.5-2.0mm/h，轉速為10-30rpm，縱向的固 液界面溫度差為10-30°C，最後退火完成生長過程。生長得到尺寸大於 (J)20mmx35mm的Er證Ybo.5oYL48Ca3(B03)4優質透明單晶。然後將0.82mm厚的 晶體(端面積一般在平方毫米到平方釐米)端面拋光後置於雷射腔中，入射鍍 膜腔鏡在970nm波長處高透、1564nm波長處高反(R>99%)，出射鍍膜腔鏡在 970nm波長處高反(R>98%) 、 1564nm波長處透過率為1%。利用970nm半導體 雷射端面泵浦，此雷射器即可輸出斜率效率達15%，輸出功率達700mW的 1564nm雷射。將其中一面或兩面介質膜鍍在晶體通光面上亦可構成雷射器件， 並實現同樣的目的。
實例4: 970nm半導體雷射端面泵浦Er"Y^+雙摻Y2Sr3(B03)4晶體實現 1.5-1.6pm波段可調諧雷射輸出。
將調諧元件(如色散稜鏡和雙折射濾波器等)插入實例1中雷射晶體和輸出腔 鏡之間，禾U用970nm半導體雷射端面泵浦即可實現1.5-1.6pm波段可調諧雷射 輸出。
實例5: 970nm半導體雷射端面泵浦Er"/Y^+雙摻Gd2Sr3(B03)4晶體實現 1551nm被動調Q脈衝雷射輸出。
將被動調Q元件(如Co2+:MgAl204， Co2+:ZnSe等)插入實例2中雷射晶體和 輸出腔鏡之間，利用970nrn半導體雷射端面泵浦即可實現1551nm被動調Q脈衝雷射輸出。或者將雷射晶體的一個端面與調Q元件的一個端面粘貼，再將激 光晶體和調Q元件的另一個端面鍍上適合970nrn紅外雷射端面泵浦、雷射諧振 並輸出1551nm雷射的介質膜，利用970nm半導體雷射端面泵浦也可輸出 1551nm被動調Q脈衝雷射。
實例6: 970nm半導體雷射端面泵浦E一VY^+雙摻Y2Sr3(B03)4晶體實現 783.5nm的倍頻雷射輸出。
在實例1中雷射晶體和出射鍍膜腔鏡間加入沿倍頻1567nm雷射的I類相位 匹配角切割的P-BBO晶體(0=19.8°， (p=0°)。輸入腔鏡在970nm波長處高透， 783.5nm和1567nm波長處高反(R>99%)。輸出腔鏡在970nm波長處高反 (R>98%)， 1567nm波長處高反(R〉99。/。)，在783.5nm波長處高透(T>80%)。 利用970nm半導體雷射端面泵浦即可輸出783.5nm的倍頻雷射。也可以將雷射 晶體的一個端面與P-BBO晶體的一個端面粘貼，輸入腔鏡膜和輸出腔鏡膜直接 鍍在雷射晶體和P-BBO晶體的另一個端面上，以實現同樣的目的。
實例7: 970nm半導體雷射端面泵浦Ei^/YbS+雙摻Y2Sr3(B03)4晶體實現 783.5nm的倍頻調Q脈衝雷射輸出。
將調Q元件(如Co2+:MgAl204， Co2+:ZnSe等)插入實例6中的雷射晶體和 P-BBO晶體之間，利用970nm半導體雷射端面泵浦即可輸出783.5nm的倍頻調 Q脈衝雷射。或者將雷射晶體的一個端面與調Q元件的一個端面粘貼，調Q元 件的另一個端面與P-BBO晶體的一個端面粘貼，在雷射晶體和P-BBO晶體的另 一個端面分別鍍上輸入和輸出腔鏡膜，以實現同樣的目的，其中輸入腔鏡膜在 970nm波長處高透，783.5nm和1567nm波長處高反(R>99°/。)，輸出腔鏡在970nm 波長處高反(R>98%) ， 1567nm波長處高反(R>99°/。)，在783.5nm波長處高透 (T>80%)。
權利要求
1. 一類Er3+離子激活的硼酸鹽雷射晶體，其特徵在於該類晶體的分子式為ErxRyRe(2-x-y)M3(BO3)4，其中x＝0.05-10mol％，y＝0-60mol％，R為Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb稀土元素中某一元素或若干元素的組合，Re為Sc、Y、La、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的組合，M為Sr、Ca、Ba等鹼土金屬元素中某一元素或若干元素的組合，R為敏化劑，該類晶體屬於正交晶系，為雙軸晶，空間群為Pnma，該類晶體的單胞參數為α＝β＝γ＝90。
2. 如項1所述晶體的製備方法，其特徵在於所述晶體採用提拉法進行生長，其製備工藝如下採用符合ErxRyRe(2.一M3(B03)4摩爾比的MC03、 Er203、 R203、 Re203和過量1-5moP/。的H3B03為原料，使其固相反應充分，然後將 反應後的產物置於單晶提拉爐中進行晶體生長，拉速為0.5-3.0mm/h，轉速 為10-30rpm，縱向的固液界面溫度差為10-30°C，最後經退火完成生長過程。
3. —種輸出1.5-1.6pm波段雷射的固體雷射器，由泵浦系統、雷射腔和雷射增 益介質組成，其特徵在於該雷射器以項1所述的雷射晶體作為增益介質， 採用發射光能被該雷射晶體有效吸收的泵浦源。
4. 如項3所述的雷射器，其特徵在於直接在雷射晶體的兩端面鍍膜，構成一 臺沒有入射腔鏡和出射腔鏡的雷射器。
5. —種輸出1.5-1.6pm波段雷射的可調諧雷射器，其特徵在於在項3所述固 體雷射器的雷射腔中插入調諧元件，獲得1.5-1.6pm波段的可調諧雷射運轉。
6. —種輸出1.5-1.6^im波段雷射的脈衝雷射器，其特徵在於在項3所述固體 雷射器的雷射腔中插入調Q或鎖模元件，獲得1.5-1.6)am波段的脈衝雷射運 轉。
7. —種輸出750-800nm波段雷射的倍頻雷射器，其特徵在於在項3所述固體雷射器的雷射腔中插入非線性光學晶體，獲得750-800nm波段的倍頻雷射運 轉。
8. —種輸出750-800nm波段雷射的倍頻脈衝雷射器，其特徵在於在項7所述 倍頻雷射器的雷射晶體與非線性光學晶體之間插入調Q或鎖模元件，實現 750—800nm波段的倍頻脈衝雷射輸出。
全文摘要
一類可作為固體雷射增益介質的以Er3+為激活離子的硼酸鹽晶體，涉及雷射晶體和器件領域。該類晶體的分子式為ErxRyRe(2-x-y)M3(BO3)4，其中x＝0.05-10mol％，y＝0-60mol％，R為稀土元素中某一元素或若干元素的組合，Re為Sc、Y、La、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的組合，M為鹼土金屬元素中某一元素或若干元素的組合。該類晶體在空氣中不潮解，具有良好的熱、機械和化學穩定性。可用提拉法生長、製備成本較低。以該類晶體為增益介質可以實現1.5-1.6μm波段的雷射輸出。
文檔編號H01S3/16GK101545137SQ20081007080
公開日2009年9月30日 申請日期2008年3月25日 優先權日2008年3月25日
發明者林炎富, 羅遵度, 陳雨金, 黃建華, 黃藝東, 龔興紅 申請人:中國科學院福建物質結構研究所