一種1.5至1.6微米波段薄盤片激光器的制造方法
【專利摘要】一種1.5至1.6微米波段薄盤片激光器，屬于固體激光材料和器件領域。利用雙摻Er3+和Yb3+的RAl3(BO3)4或單摻Er3+的YbAl3(BO3)4激光晶體作為增益介質，結合激光晶體中高Yb3+離子濃度使其在976納米波長處具有高吸收系數的特征，采用薄盤片激光器設計方案，有效降低介質熱效應的影響，在976納米波長半導體激光泵浦下實現高平均功率、高效率和高光束質量的1.5至1.6微米波段固體激光運轉。
【專利說明】—種1.5至1.6微米波段薄盤片激光器
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及固體激光材料和器件領域。
【背景技術】
[0002]阻礙固體激光器向高平均輸出功率發(fā)展的最大問題是激光介質在光泵浦過程中產生的熱負荷。激光介質里的廢熱將導致熱透鏡、熱致雙折射和熱應力等效應，從而造成激光輸出光束質量的降低，激光輸出功率的飽和和不穩(wěn)定，甚至還可能造成激光介質的破裂。薄盤片激光器(thin-disk laser)的設計方案有效解決了上述問題，實現了高平均功率、高效率和高光束質量的固體激光運轉(IEEE J.Sel.Topics QuantumElectron.，2007, 13 (3)，pp598_609)。迄今薄盤片激光器的增益介質主要是一些Yb3+或者Nd3+摻雜的激光材料，實現了 1.0至1.1微米波段的激光運轉。而對于工作在人眼安全1.5至1.6微米波段的薄盤片激光器，目前還未見有相關的研究報道。
[0003]薄盤片激光器中激光介質的厚度一般只有幾百個微米。將這個薄激光介質的一個端面鍍上對泵浦光和基波激光均高反的介質膜后直接或再鍍上一層導熱材料后貼在冷卻模塊上進行冷卻，不僅能有效地消散激光介質中的熱量，而且可以使熱流沿厚度方向一維分布，極大地降低了介質熱效應的影響。然后通過合理設計泵浦耦合系統和諧振腔結構，就可以使激光介質在高平均功率運轉條件下仍保持較高的工作效率和輸出光束質量。由于薄的激光介質降低了對入射泵浦光的吸收效率，因此為了實現高效的激光運轉，就必須增加泵浦光穿行激光介質的次數，增加了激光器系統設計的復雜性。
[0004]雙摻Er3+ 和 Yb3+ 的 RAl3(BO3)4 (Er:Yb:RAB, R=Y, Gd 和 Lu 等)或單摻 Er3+ 的YbAl3(BO3)4 (EriYbAB)激光晶體利用高濃度的Yb3+離子吸收976納米波長的入射泵浦光，通過共振能量傳遞和多聲子無輻射躍遷過程使Er3+離子布居到激光上能級4113/2，然后通過Er3+離子4I13/2 —4115/2躍遷實現1.5至1.6微米波段的固體激光輸出。激光晶體中高的Yb3+離子濃度使其在976納米波長處具有非常高的吸收系數。采用Er:Yb:RAB或Er = YbAB晶體作為薄盤片激光器的工作介質，可減少入射泵浦光在介質中的穿行次數，降低激光器設計的難度，實現高光束質量、高效和高平均功率的1.5至1.6微米波段固體激光輸出。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是將具有高Yb3+離子濃度的Er: Yb: RAB或Er: YbAB激光晶體作為增益介質，采用薄盤片激光器設計方案，獲得高光束質量、高效和高平均功率的1.5至1.6微米波段固體激光。
[0006]本發(fā)明包括如下技術方案:
[0007]1.一種1.5至1.6微米波段薄盤片激光器，由半導體激光泵浦系統、激光腔輸出鏡、冷卻模塊和薄盤增益介質組成。其特征在于:該激光器的薄盤增益介質為ErxYbyR(1_x_y)Al3(BO3)4 或 ErxYb(1_x)Al3 (BO3) 4 晶體，其中 χ=0.5 ?3.0at.%，y=10 ?50at.%，R 為 Sc、Y、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的組合；半導體激光泵浦系統包括976納米波長半導體激光以及放置在半導體激光和薄盤增益介質之間的光學耦合器，半導體激光以一定的入射角度聚焦在薄盤增益介質中；薄盤增益介質的一個端面先鍍上對泵浦光和基波激光反射率均大于99.5%的介質膜,然后將這個端面直接或再鍍上一層導熱材料后貼在冷卻模塊上；激光腔輸出鏡設計為在1.5至1.6微米波段處透過率0.5% ^ 10%。
[0008]2.如項I所述的薄盤片激光器。其特征在于:將激光腔輸出鏡直接鍍在所述的薄盤增益介質的非冷卻端面上，激光腔輸出鏡設計為在1.5至1.6微米波段處透過率
0.5% ^ T ^ 10%，在976納米波長處透過率大于90%。
[0009]3.一種薄盤片脈沖激光器。其特征在于:在項I所述的激光器的薄盤增益介質和激光腔輸出鏡之間插入1.5至1.6微米波段的調Q或鎖模元件；也可將激光腔輸出鏡直接鍍在所述的調Q或鎖模元件的輸出端面上。
[0010]4.一種薄盤片倍頻激光器。其特征在于:在項I所述的激光器的薄盤增益介質和激光腔輸出鏡之間插入1.5至1.6微米波段的倍頻晶體，激光腔輸出鏡設計為在1.5至1.6微米波段處透過率小于0.5%，在倍頻波長0.75至0.8微米波段處透過率大于80% ;也可將激光腔輸出鏡直接鍍在所述的倍頻晶體的輸出端面上。
[0011]5.一種薄盤片倍頻脈沖激光器。其特征在于:在項4所述的激光器的薄盤增益介質和倍頻晶體之間插入1.5至1.6微米波段的調Q或鎖模元件。
[0012]利用本發(fā)明技術方案制造的固體激光器具有的有益效果是能夠極大降低激光介質熱效應對激光輸出性能的影響，獲得高光束質量、高效和高平均功率的1.5至1.6微米波段固體激光。
【具體實施方式】
[0013]實例1:976納米波長半導體激光泵浦Er = YbAl3(BO3)4薄盤片1.54微米激光器。
[0014]利用摻雜1.5at.%Er3+的YbAl3(BO3)4 (EriYbAB)激光晶體。在976納米處，該激光晶體對平行于光軸入射的泵浦光的吸收系數約為180cm—1。從晶體上切割并拋光獲得厚度為90微米(端面積一般為幾個平方毫米)的c切片Er:YbAB薄盤激光介質。直接在該薄盤激光介質的一個端面鍍上對泵浦光和基波激光均高反的介質膜構成激光腔的一個腔鏡，再將這一端面直接或再鍍上一層導熱材料(如銦，錫等)后貼在水冷(或半導體制冷片制冷)的銅板上作為冷卻面，沿軸向快速消散介質中產生的熱量。薄盤激光介質的另一端面可作為泵光的入射面，也可在此端面鍍上對泵光的增透膜。在薄盤激光介質的非冷卻面一端放置激光腔輸出鏡，該鏡在1.5至1.6微米波段處的透過率為1.5%。該薄盤激光介質單程就能吸收80%的976納米入射光，因此無需采用球形反射鏡技術使泵浦光連續(xù)多次通過介質以充分利用泵浦光。將20W的976納米波長半導體激光經過由兩個雙凸透鏡組成的光學耦合器后沿20°的入射角聚焦在該介質上，即可得到20%斜效率和2W輸出功率的1.54微米連續(xù)激光。也可以將激光腔輸出鏡直接鍍在該薄盤激光介質的非冷卻端面上，以實現同樣的目的。 [0015]實例2:976納米波長半導體激光泵浦Er: YbAB薄盤片1.54微米被動調Q脈沖激光器。
[0016]直接將被動調Q片(如Co2+:MgAl2O4, Co2+: ZnSe, Cr2+: ZnSe等)插入實例I中薄盤激光介質的非冷卻端面和輸出腔鏡之間，即可實現1.54微米被動調Q薄盤片脈沖激光運轉。也可以將輸出腔鏡直接鍍在調Q片的輸出端面上，以實現同樣的目的。
[0017]實例3:976納米波長半導體激光泵浦Er: YbAB薄盤片1.54微米主動調Q脈沖激光器。
[0018]直接將1.5至1.6微米波段的聲光調Q模塊插入實例I中薄盤激光介質的非冷卻端面和輸出腔鏡之間，即可實現1.54微米主動調Q薄盤片脈沖激光。也可以將輸出腔鏡直接鍍在聲光調Q模塊的輸出端面上，以實現同樣的目的。
[0019]實例4:976納米波長半導體激光泵浦Er: YbAB薄盤片0.77微米倍頻激光器。
[0020]直接將倍頻1.54微米的非線性光學晶體(如KTP、LB0, β -BBO等)插入實例I中薄盤激光介質的非冷卻端面和輸出腔鏡之間，在輸出腔鏡上鍍上1.54微米波長處高反，倍頻波長0.77微米處高透的介質膜，即可實現0.77微米薄盤片倍頻激光。也可以將輸出腔鏡直接鍍在非線性光學晶體的輸出端面上，以實現同樣的目的。
[0021 ] 實例5:976納米波長半導體激光泵浦Er: YbAB薄盤片0.77微米倍頻脈沖激光器。
[0022]直接將調Q器件(被動調Q片、聲光調Q或電光調Q模塊等)插入實例4中薄盤激光介質的非冷卻端面和非線性光學晶體之間，即可實現0.77微米薄盤片倍頻脈沖激光。
[0023]實例6:976納米波長半導體激光泵浦Er: Yb = YAl3 (BO3) 4薄盤片1.52微米激光器。
[0024]利用摻雜1.lat.%Er3+ 和 15at.%Yb3+ 的 YAl3(BO3)4 (Er:Yb:YAB)激光晶體。在 976納米處，激光晶體對平行于光軸入射的泵浦光的吸收系數約為27cm—1。從晶體上切割并拋光獲得厚度為600微米(端面積一般為幾個平方毫米)的c切片Er:Yb:YAB薄盤激光介質。直接在該薄盤激光介質的一個端面鍍上對泵浦光和基波激光均高反的介質膜構成激光腔的一個腔鏡，再將這一端面直接或再鍍上一層導熱材料(如銦，錫等)后貼在水冷(或半導體制冷片制冷)的銅板上作為冷卻面，沿軸向快速消散介質中產生的熱量。薄盤激光介質的另一端面可作為泵光的入射面，也可在此端面鍍上對泵光的增透膜。在薄盤激光介質的非冷卻面一端放置激光腔輸出鏡，該鏡在1.5至1.6微米波段處的透過率為2.0%。該薄盤激光介質單程就能吸收80%的976納米入射光，因此無需采用球形反射鏡技術使泵浦光連續(xù)多次通過介質以充分利用泵浦光。將20W的976納米波長半導體激光經過由兩個雙凸透鏡組成的光學耦合器后沿20°的入射角聚焦在該介質上，即可得到20%斜效率和2W輸出功率的
1.52微米連續(xù)激光。也可以將激光腔輸出鏡直接鍍在該薄盤激光介質的非冷卻端面上，以實現同樣的目的。
[0025]實例7:976納米波長半導體激光泵浦Er = Yb = LuAl3(BO3)4薄盤片1.56微米激光器。
[0026]利用摻雜1.lat.%Er3+ 和 40at.%Yb3+ 的 LuAl3(BO3)4 (Er:Yb:LuAB)激光晶體。在976納米處，激光晶體對平行于光軸入射的泵浦光的吸收系數約為74cm—1。從晶體上切割并拋光獲得厚度為200微米(端面積一般為幾個平方毫米)的c切片Er:Yb:LuAB薄盤激光介質。直接在該薄盤激光介質的一個端面鍍上對泵浦光和基波激光均高反的介質膜構成激光腔的一個腔鏡，再將這一端面直接或再鍍上一層導熱材料(如銦，錫等)后貼在水冷(或半導體制冷片制冷)的銅板上作為冷卻面，沿軸向快速消散介質中產生的熱量。薄盤激光介質的另一端面可作為泵光的入射面，也可在此端面鍍上對泵光的增透膜。在薄盤激光介質的非冷卻面一端放置激光腔輸出鏡，該鏡在1.5至1.6微米波段處的透過率為1.5%。該薄盤激光介質單程就能吸收80%的976納米入射光，因此無需采用球形反射鏡技術使泵浦光連續(xù)多次通過介質以充分利用泵浦光。將20W的976納米波長半導體激光經過由兩個雙凸透鏡組成的光學耦合器后沿20°的入射角聚焦在該介質上，即可得到20%斜效率和2W輸出功率的1.56微米連續(xù)激光。也可以將激光腔輸出鏡直接鍍在該薄盤激光介質的非冷卻端面上，以實現同樣的目的。
【權利要求】
1.一種1.5至1.6微米波段薄盤片激光器，由半導體激光泵浦系統、激光腔輸出鏡、冷卻模塊和薄盤增益介質組成，其特征在于:該激光器的薄盤增益介質為ErxYbyR(1_x_y)Al3 (BO3)4 或 ErxYb(1_x)Al3 (BO3) 4 晶體，其中 χ=0.5 ~3.0at.%,y=10 ~50at.%，R*Sc、Y、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的組合；半導體激光泵浦系統包括976納米波長半導體激光以及放置在半導體激光和薄盤增益介質之間的光學耦合器，半導體激光以一定的入射角度聚焦在薄盤增益介質中；薄盤增益介質的一個端面先鍍上對泵浦光和基波激光反射率均大于99.5%的介質膜,然后將這個端面直接或再鍍上一層導熱材料后貼在冷卻模塊上；激光腔輸出鏡設計為在1.5至1.6微米波段處透過率0.5% ^ 10%。
2.如權利要求1所述的薄盤片激光器，其特征在于:將激光腔輸出鏡直接鍍在所述的薄盤增益介質的非冷卻端面上，激光腔輸出鏡設計為在1.5至1.6微米波段處透過率0.5%≤T ≤10%，在976納米波長處透過率大于90%。
3.—種薄盤片脈沖激光器，其特征在于:在權利要求1所述的激光器的薄盤增益介質和激光腔輸出鏡之間插入1.5至1.6微米波段的調Q或鎖模元件；也可將激光腔輸出鏡直接鍍在所述的調Q或鎖模元件的輸出端面上。
4.一種薄盤片倍頻激光器，其特征在于:在權利要求1所述的激光器的薄盤增益介質和激光腔輸出鏡之間插入1.5至1.6微米波段的倍頻晶體，激光腔輸出鏡設計為在1.5至1.6微米波段處透過率小于0.5%，在倍頻波長0.75至0.8微米波段處透過率大于80% ;也可將激光腔輸出鏡直接鍍在所述的倍頻晶體的輸出端面上。
5.一種薄盤片倍頻脈沖激光器，其特征在于:在權利要求4所述的激光器的薄盤增益介質和倍頻晶體之間插入1.5至1.6微米波段的調Q或鎖模元件。
【文檔編號】H01S3/16GK103972784SQ201410139343
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月9日 優(yōu)先權日:2014年4月9日
【發(fā)明者】陳雨金, 黃藝東, 林炎富, 黃建華, 龔興紅, 羅遵度 申請人:中國科學院福建物質結構研究所