專利名稱：：摻鐿釔鋁石榴石與雙摻鉻鐿釔鋁石榴石自調(diào)q激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及ー種激光器，尤其是涉及ー種通過鍵合％YAG晶體與Cr，％YAG晶體獲得的具有高效、高峰值功率激光輸出的摻鐿釔鋁石榴石與雙摻鉻鐿釔鋁石榴石(％:YAG/Cr,Yb:YAG)自調(diào)Q激光器。
背景技術(shù)：
：摻稀土離子的釔鋁石榴石晶體(Y3Al5O12,即YAG)由于具有優(yōu)良的物理機械性能、高的化學(xué)穩(wěn)定、優(yōu)良的光學(xué)性能，在當(dāng)前固體激光器領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位。特別是%:YAG晶體具有寬的吸收帶、長的熒光壽命、高摻雜濃度和高的量子效率，在相同的泵浦功率下，％:YAG晶體在激光運行時產(chǎn)生的熱僅為Nd:YAG的三分之一。采用端面泵浦、側(cè)面泵浦的棒狀激光器及薄片激光器獲得了千瓦甚至幾十干瓦的連續(xù)激光輸出。高摻雜濃度的YbiYAG晶體非常適合微片激光器的研制，基于被動調(diào)Q的％:YAG微片激光器實現(xiàn)了亞納秒、峰值功率高達百千瓦的激光輸出，因晶體在激光器領(lǐng)域內(nèi)受到越來越多的重視。激光二極管抽運的被動調(diào)Q固體激光器可以產(chǎn)生高的脈沖能量及峰值功率，同時擁有接近衍射界限的光束質(zhì)量，在遙感、激光測距、污染監(jiān)測、激光雷達、材料加工及激光點火等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。用作被動調(diào)Q開關(guān)的可飽和吸收體材料通常有半導(dǎo)體材料和Cr4+:YAG激光材料，而Cr4+=YAG可飽和吸收體材料具有熱導(dǎo)性好、吸收截面大、飽和光強小、損傷閾值高、無退化現(xiàn)象等優(yōu)點，使得它在基于摻Nd3+及離子的的被動調(diào)Q激光器中作為可飽和吸收體顯示出了極大的優(yōu)越性。Cr4+=YAG可飽和吸收體的另外ー個顯著優(yōu)點是可以和Nd3+離子及離子在YAG基質(zhì)中共摻從而可以生長出雙摻的Cr，Nd:YAG及Cr，YbiYAG自調(diào)Q激光晶體，采用激光二極管作為泵浦源獲得集成化、小型化的自調(diào)Q固體激光器。但是由于Nd3+離子在YAG晶體中的分凝吸收很小，在Cr，NdiYAG自調(diào)Q激光晶體中很難實現(xiàn)Nd3+離子的高濃度摻雜，因此Cr，NdiYAG自調(diào)Q激光器的激光性能受到了很大的限制。特別是微片激光器需要采用薄的激光增益介質(zhì)來獲得短的激光脈沖輸出，因此需要采用高摻雜濃度的激光材料來吸收足夠的泵浦光獲得高效的激光輸出。由于離子的離子半徑與Y3+離子的相近，因此在％:YAG晶體中可以實現(xiàn)高濃度摻雜，同樣在Cr，YbiYAG自調(diào)Q激光晶體中也可以實現(xiàn)離子的高濃度摻雜，因此Cr，YbiYAG自調(diào)Q激光晶體具有Cr，NdiYAG自調(diào)Q激光晶體不可比擬的光學(xué)及機械熱性能優(yōu)點。1999年中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所的董俊等人首次生長出了Cr，YbiYAG自調(diào)Q激光晶體并對其光譜特性進行了詳細的報道([1，2]J.Dong，P.Deng,andJ.Xu,”ThegrowthofCr4，Yb3+:yttriumaluminumgarnet(YAb；crystalanditsabsorptionspectraproperties,”J.CrystalGrowth203，163-167(1999).J.Dong，P.Deng，andJ.Xu,〃SpectralandluminescencepropertiesofCrandYb3+ionsinyttriumaluminumgarnet(YAG),“Opt.Mater.14，109—113(2000).)。2002年中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所的J.Dong等人([3]J.Dong，P.Deng,Y.Liu,Y.Zhang,G.Huang,andF.Gan,“Performanceoftheself-Q-switchedCr,Yb:YAGlaser,“Chin.Phys.Lett.19,342-344(2002).)采用高光束質(zhì)量的鈦寶石可調(diào)諧激光器作為泵浦源首次實現(xiàn)了Cr，YbiYAG自調(diào)Q激光的輸出。2003年，Y.Siou等人a4]Zhou，Q.Thai,Y.C.Chen,andS.Zhou,"MonolithicQ-switchedCr,Yb:YAGlaser,"Opt.Commun.219，365-367(2003)·)采用0.75mm厚的Cr，Yb:YAG自調(diào)Q激光晶體作為激光增益介質(zhì)，其中％3+離子的摻雜濃度為fet.%,Cr離子的摻雜濃度為0.5at.%，在激光二極管的泵浦下獲得了0.5ns的自調(diào)Q激光輸出，但是由于采用的Cr，YbiYAG自調(diào)Q激光晶體中％3+離子的摻雜濃度低，輸出激光的效率非常低，而且伴隨著Cr，YbiYAG自調(diào)Q激光晶體光學(xué)鍍膜的損傷，沒有實際應(yīng)用前景。2005年，J.Dong等人([5]J.Dong，J.Li,S.Huang,A.Shirakawa,andK.Ueda,"Multi-longitudinal-modeoscillationofself-Q-switchedCr,Yb:YAGlaserwithaplano-concaveresonator,"Opt.Commun.256,158-165(2005).)采用Yb3+離子摻雜濃度為IOat.%的Cr，Yb:YAG自調(diào)Q激光晶體作為激光增益介質(zhì)，采用平-凹腔實現(xiàn)了激光二極管泵浦的Cr，YbiYAG的自調(diào)Q激光輸出。隨后J.Dong等人采用Cr，YbiYAG自調(diào)Q激光晶體作為激光增益介質(zhì)實現(xiàn)了激光二極管泵浦的Cr，％YAG微片自調(diào)Q激光輸出，獲得了440ps、23.5μJ、峰值功率高達53kW的([6]J.Dong,A.Shirakawa,S.Huang,Y.Feng,T.Takaichi,M.Musha,K.Ueda,andA.A.Kaminskii,"Stablelaser-diodepumpedmicrochipsub-nanosecondCr,Yb:YAGself-Q-switchedlaser,“LaserPhys.Lett.2，387-391Q005)·)。但是由于在Yb:YAG晶體中共摻了Cr4+離子，晶體的缺陷增多，熒光壽命相比與％:YAG晶體有明顯的縮短([7]J.Dong,andP.Deng,“TheeffectofCrconcentrationonemissioncrosssectionandfluorescencelifetimeinCr,Yb:YAGcrystal，"J.Lumin.104，151-158(2003)·)，激光的閾值高。而且Cr4+離子從800到1300nm具有非常寬的吸收帶([8，9]H.Eilers，U.Hommerich，S.Μ.Jacobsen，W.Μ.Yen，K.R.Hoffman，andW.Jia，“SpectroscopyanddynamicsofCr4+=Y3Al5O12，〃Phys.Rev.B.49，15505-15513(1994).R.Feldman，Y.Shimony，andZ.Brushtein，“DynamicsofchromiumionvalencetransformationinCr，Ca:YAGusedaslasergainandpassivelyQ-switchingmedia，“Opt.Mater.24,333-344(2003).)，因此在離子的吸收帶(940nm處)有很強的吸收，對于有效利用泵浦光造成了很大的影響，因此激光的效率低。通過深入的研究表明，如果進一步增加Cr4+離子濃度，不僅激光輸出效率更低，甚至不能獲得的激光輸出，因此雙摻Cr，YbiYAG自調(diào)Q材料不適合通過增加Cr4+離子的濃度來實現(xiàn)高峰值功率、亞納秒激光脈沖輸出。由于％:YAG晶體屬于準(zhǔn)三能級系統(tǒng)，在激光波長處有一定的吸收，在室溫下運行時需要高的泵浦功率密度來獲得高效的激光輸出。傳統(tǒng)的YAG/Cr4+:YAG被動調(diào)Q激光器中的激光增益介質(zhì)％:YAG用來吸收泵浦光，而Cr4+=YAG則只是作為被動調(diào)Q開關(guān)元件，對泵浦光的吸收沒有任何作用。Cr，％:YAG自調(diào)Q激光晶體中的離子和Cr4+離子對泵浦光都存在吸收，但是只用離子吸收的泵浦光才對激光粒子反轉(zhuǎn)數(shù)有作用，而Cr4+離子對泵浦光的吸收造成了對泵浦光的損耗，因此整個系統(tǒng)的工作效率是低下的，不利于獲得高效集成化小型化高峰值功率固體激光器
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種通過鍵合％:YAG晶體與Cr，YbiYAG晶體獲得的具有高效、高峰值功率激光輸出的摻鐿釔鋁石榴石與雙摻鉻鐿釔鋁石榴石(YAG/Cr,YbYAG)自調(diào)Q激光器。本發(fā)明設(shè)有泵浦源、隔離器、第1柱狀透鏡、第2柱狀透鏡、激光增量介質(zhì)％:YAG晶體和Cr，YbiYAG晶體；所述泵浦源、隔離器、第1柱狀透鏡、第2柱狀透鏡、激光增量介質(zhì)YbiYAG晶體和Cr，YbiYAG晶體從前至后依次排列并位于同一光軸上，所述激光增量介質(zhì)YbiYAG晶體的后表面鍍增透膜及高反膜作為激光腔的后腔鏡，所述Cr，％:YAG晶體的前表面鍍增透膜及反射膜作為激光腔的前腔鏡。所述泵浦源可采用940nm激光二極管，所述增透膜可為940nm增透膜，所述高反膜可采用1030nm高反膜，所述反射膜可采用1030nm部分反射膜。本發(fā)明可由940nm激光二極管作為泵浦源，激光二極管輸出的激光通過一個隔離器來防止反射的泵浦光對激光二極管的損傷，通過兩個柱狀透鏡來耦合和聚焦泵浦光到Y(jié)biYAG晶體的后表面，Yb:YAG/Cr,Yb:YAG復(fù)合結(jié)構(gòu)自調(diào)Q激光晶體中％:YAG晶體的后表面可鍍940nm的增透膜及1030nm的高反膜(反射率大于99%)作為激光器的后腔面，Cr，YbiYAG自調(diào)Q激光晶體的前表面鍍1030nm的部分反射膜作為激光器的前腔鏡。與現(xiàn)有Yb:YAG/Cr4+:YAG被動調(diào)Q微片激光器及Cr，YbiYAG自調(diào)Q激光器相比，本發(fā)明由于充分利用了％:YAG/Cr，Yb:YAG復(fù)合結(jié)構(gòu)材料中％:YAG晶體對泵浦光的吸收，同時通過Cr，YbiYAG自調(diào)Q激光晶體對泵浦光的進一步吸收，極大限度地提高了泵浦光對激光粒子反轉(zhuǎn)數(shù)的效率。而且充分地發(fā)揮了自調(diào)Q激光晶體被動調(diào)Q的作用，降低了Cr，YbiYAG自調(diào)Q激光晶體中Cr4+離子對泵浦光的吸收損耗，從而極大地提高了泵浦光的利用效率，獲得高效的激光輸出，可以使整套激光器件更加小型化、集成化和實用化。激光工作物質(zhì)采用<111>方向生長的％:YAG晶體及Cr，YbiYAG自調(diào)Q激光晶體，采用端面泵浦的方式有效地使泵浦光和輸出激光耦合，不僅可以獲得高光束質(zhì)量激光輸出，而且可以通過YbiYAG晶體及CrJb:YAG自調(diào)Q激光晶體對泵浦光的有效吸收，提升由泵浦光所導(dǎo)致的激光粒子反轉(zhuǎn)數(shù)，從而實現(xiàn)％:YAG/Cr，Yb:YAG復(fù)合結(jié)構(gòu)自調(diào)Q微片激光器的高效、高峰值功率激光輸出。所以本發(fā)明能夠獲得比原有％YAG/Cr4+YAG被動調(diào)Q激光及Cr，％YAG自調(diào)Q激光技術(shù)更高的亮度、更高的峰值功率，而且輸出激光可以實現(xiàn)高的光學(xué)轉(zhuǎn)換效率。圖1為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖2為％:YAG晶體、Cr4+:YAG晶體及Cr，YbiYAG自調(diào)Q激光晶體在室溫下的吸收光譜。在圖2中，橫坐標(biāo)為波長Wavelength(nm)，縱坐標(biāo)為吸收系數(shù)Absorptioncoefficient(cnT1)；曲線a為Yb:YAG晶體，曲線b為Cr4+:YAG晶體，曲線c為Cr，Yb:YAG；其中離子的摻雜濃度為IOat.%,Cr離子的摻雜濃度為0.025at.%。圖3為泵浦光強度在％YAG晶體及％YAG/Cr，％YAG復(fù)合結(jié)構(gòu)自調(diào)Q激光晶體中的分布。在圖3中，橫坐標(biāo)為長度Length(Him)，縱坐標(biāo)為泵浦光強度Pumppowerintensity(a.u.)；曲線a為Yb:YAG晶體，曲線b為Cr，Yb:YAG。具體實施方式以下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。參見圖1，本發(fā)明實施例設(shè)有泵浦源1、隔離器2、第1柱狀透鏡3、第2柱狀透鏡4、激光增量介質(zhì)％:YAG晶體5和Cr，YbiYAG晶體6；所述泵浦源1、隔離器2、第1柱狀透鏡3、第2柱狀透鏡4、激光增量介質(zhì)％:YAG晶體5和Cr，％:YAG晶體6從前至后依次排列并位于同一光軸上，所述激光增量介質(zhì)％:YAG晶體5的后表面鍍增透膜及高反膜7作為激光腔的后腔鏡，所述Cr，YbiYAG晶體6的前表面鍍增透膜及反射膜8作為激光腔的前腔鏡。所述泵浦源1采用940nm激光二極管，所述增透膜為940nm增透膜，所述高反膜7采用1030nm高反膜，所述反射膜8采用1030nm部分反射膜。本發(fā)明所用的激光增益介質(zhì)是用提拉法(Czochralski)沿<111>方向生長的優(yōu)質(zhì)YbYAG晶體及CrJbYAG自調(diào)Q激光晶體，以離子摻雜濃度為IOat.%的％YAG晶體及Cr，％:YAG自調(diào)Q激光晶體為例來說明本發(fā)明的內(nèi)容，其中Cr，％:YAG自調(diào)Q激光晶體中Cr離子的摻雜濃度為0.025at.%。以940nm激光二極管作為泵浦源1，從激光二極管出射的激光通過隔離器2，通過隔離器的入射激光經(jīng)過第1柱狀透鏡3來壓縮泵浦光的快軸發(fā)散角，用第2個柱狀透鏡4來壓縮激光二極管的慢軸發(fā)散角；通過第1柱狀透鏡3和第2柱狀透鏡4的光學(xué)耦合和聚焦在激光增益介質(zhì)％:YAG晶體5的入射面上形成一個面積為(50X50)μm2的泵浦光斑；YbiYAG晶體5的后表面鍍940nm的增透膜及1030nm的高反膜7作為激光腔的后腔鏡；Cr，YbYAG晶體6的前表面鍍940nm的增透膜及1030nm的部分反射膜8作為激光腔的后腔鏡。以下給出所述％:YAG/Cr，Yb:YAG復(fù)合結(jié)構(gòu)自調(diào)Q微片激光器的制作方法首先把優(yōu)質(zhì)的離子摻雜濃度為IOat.%的％:YAG晶體5及離子摻雜濃度為IOat.%,Cr離子摻雜濃度為0.025at.%的CrJb:YAG自調(diào)Q激光晶體6切割成尺寸為Φ10Χ1.5mm的晶體毛坯、然后對該晶體毛坯進行粗磨、細磨和拋光，獲得光學(xué)平行度小于1/10λ、厚度為Imm的晶體薄片。然后對拋光后的％YAG晶體及Cr，％YAG自調(diào)Q激光晶體進行鍵合從而制備出％:YAG/Cr，Yb:YAG復(fù)合結(jié)構(gòu)自調(diào)Q激光晶體。最后對鍵合好的Yb:YAG/Cr,Yb:YAG復(fù)合結(jié)構(gòu)自調(diào)Q激光晶體進行鍍膜。鍍膜的具體指標(biāo)如下面對940nm泵浦光入射的YAG晶體微片的一面鍍940nm的增透膜和1030nm的高反膜作為微片激光器激光腔的后腔鏡7，％YAG/Cr,YbYAG復(fù)合結(jié)構(gòu)自調(diào)Q激光晶體的另外一面鍍1030nm的部分反射膜形成激光器的前腔鏡(通常鍍50%反射膜來實現(xiàn)高峰值功率的1030nm激光輸出，而且可避免由于高峰值功率激光振蕩導(dǎo)致的激光鍍膜的損傷)。用940nm的激光二極管作為泵浦源，通過由兩個不同焦距的聚焦透鏡組成的光學(xué)耦合系統(tǒng)在％:YAG晶體的入射面獲得直徑為100微米的泵浦光斑，提高泵浦光與輸出激光的模式匹配。輸出激光的功率通過功率計來測量，對于輸出激光脈沖特性的測試則是通過高靈敏度的光電探測儀及數(shù)字示波器來測試。其它基于高摻雜濃度(>IOat.%)晶體及CrJb:YAG自調(diào)Q激光晶體的％:YAG/Cr，Yb:YAG復(fù)合結(jié)構(gòu)自調(diào)Q微片激光器可以根據(jù)其具體摻雜濃度來確定其優(yōu)化的晶體厚度，從而實現(xiàn)高效、高峰值功率激光輸出。通過對Cr4+YAG被動調(diào)QYbYAG激光器及Cr，％YAG自調(diào)Q激光器的對比研究分析發(fā)現(xiàn)，利用Cr，YbiYAG自調(diào)Q激光晶體由于摻雜Cr離子所造成的熒光壽命縮短的特性，通過進一步吸收通過^:YAG晶體后的殘余泵浦光可有效地提高％:YAG/Cr，Yb:YAG復(fù)合結(jié)構(gòu)自調(diào)Q激光晶體中粒子反轉(zhuǎn)數(shù)的水平，從而可獲得高效的自調(diào)Q激光脈沖輸出。本發(fā)明利用％:YAG晶體吸收一定的泵浦光，剩余的泵浦光經(jīng)過Cr，％:YAG晶體的進一步吸收，從而增加％YAG/Cr,YbYAG復(fù)合結(jié)構(gòu)自調(diào)Q激光器對泵浦光的吸收效率，提高粒子反轉(zhuǎn)數(shù)，實現(xiàn)高效的自調(diào)Q激光脈沖輸出，從而獲得一種小型化、集成化的激光二極管泵浦的自調(diào)Q微片固體激光器。對于％YAG/Cr，YAG復(fù)合結(jié)構(gòu)自調(diào)Q激光器而言，晶體吸收泵浦光所導(dǎo)致的粒子反轉(zhuǎn)數(shù)可以用以下公式表示權(quán)利要求1.摻鐿釔鋁石榴石與雙摻鉻鐿釔鋁石榴石自調(diào)Q激光器，其特征在于設(shè)有泵浦源、隔離器、第1柱狀透鏡、第2柱狀透鏡、激光増量介質(zhì)％:YAG晶體和Cr，YbiYAG晶體；所述泵浦源、隔離器、第1柱狀透鏡、第2柱狀透鏡、激光増量介質(zhì)％:YAG晶體和Cr，YbiYAG晶體從前至后依次排列并位于同一光軸上，所述激光増量介質(zhì)％:YAG晶體的后表面鍍增透膜及高反膜作為激光腔的后腔鏡，所述Cr，YbiYAG晶體的前表面鍍增透膜及反射膜作為激光腔的前腔鏡。2.如權(quán)利要求1所述的摻鐿釔鋁石榴石與雙摻鉻鐿釔鋁石榴石自調(diào)Q激光器，其特征在于所述泵浦源采用940nm激光二極管。3.如權(quán)利要求1所述的摻鐿釔鋁石榴石與雙摻鉻鐿釔鋁石榴石自調(diào)Q激光器，其特征在于所述增透膜為940nm增透膜。4.如權(quán)利要求1所述的摻鐿釔鋁石榴石與雙摻鉻鐿釔鋁石榴石自調(diào)Q激光器，其特征在于所述高反膜采用1030nm高反膜。5.如權(quán)利要求1所述的摻鐿釔鋁石榴石與雙摻鉻鐿釔鋁石榴石自調(diào)Q激光器，其特征在于所述反射膜采用1030nm部分反射膜。全文摘要摻鐿釔鋁石榴石與雙摻鉻鐿釔鋁石榴石自調(diào)Q激光器，涉及一種激光器。提供一種通過鍵合Yb:YAG晶體與Cr，Yb:YAG晶體獲得的具有高效、高峰值功率激光輸出的摻鐿釔鋁石榴石與雙摻鉻鐿釔鋁石榴石自調(diào)Q激光器。設(shè)有泵浦源、隔離器、第1柱狀透鏡、第2柱狀透鏡、激光增量介質(zhì)Yb:YAG晶體和Cr，Yb:YAG晶體；所述泵浦源、隔離器、第1柱狀透鏡、第2柱狀透鏡、激光增量介質(zhì)Yb:YAG晶體和Cr，Yb:YAG晶體從前至后依次排列并位于同一光軸上，所述激光增量介質(zhì)Yb:YAG晶體的后表面鍍增透膜及高反膜作為激光腔的后腔鏡，所述Cr，Yb:YAG晶體的前表面鍍增透膜及反射膜作為激光腔的前腔鏡。文檔編號H01S3/16GK102545027SQ20121003054公開日2012年7月4日申請日期2012年2月10日優(yōu)先權(quán)日2012年2月10日發(fā)明者任瀅瀅,程瑩,董俊,馬劍申請人:廈門大學(xué)