[发明专利]一种铒镱共掺上转换透明陶瓷激光器

说明书

技术领域

本实验发明设计一种利用铒镱稀土离子共同掺杂具有上转换发光性能的透明陶瓷为激光增益介质的透明陶瓷激光器。 

背景技术

随着激光技术的发展，激光增益介质的研究也日趋深入，目前用于固体激光器的增益介质主要包括激光晶体、掺杂稀土离子的玻璃以及透明陶瓷。但激光晶体生长周期较长、尺寸较小、生产成本过高，并且稀土掺杂浓度较低，此外晶体所具有的解理性使其机械强度相对较弱；而另一种激光增益介质-激光玻璃的生产工艺简单，可掺杂的稀土离子浓度较高，但是其较差的机械性能和热学性能不能满足大功率体制运转。激光晶体和玻璃的上述缺点都制约了它们在激光领域的应用，而激光技术高速发展，对激光器的输出指标要求的不断提高都促使着新型激光材料的产生，激光透明陶瓷以其具有高热导率，高机械强度，制备工艺简单，可以实现大尺寸化，并且能够实现高浓度稀土离子掺杂等优点，出现之后便在激光领域具有了重要的应用。目前，国内外对玻璃和单晶中铒镱稀土离子共掺发光的研究较多，但对于透明陶瓷基质下铒镱稀土离子共掺发光的研究较少。本实验中采用的基质材料为Y₂O₃，其物化性质均比较稳定，声子能量较低，其热导率约为常用工作物质YAG的两倍，且二者热膨胀系数相似，因此Y₂O₃是具有广阔研究前景的新型激光工作物质。 

目前，国内外对于稀土离子掺杂透明陶瓷激光器的研究主要集中在红外波段，对于稀土离子掺杂透明陶瓷的上转换发光性质在激光方面的应用研究较少，本发明设计一种利用铒镱稀土离子共同掺杂具有上转换发光性能的透明陶瓷作为激光增益介质的透明陶瓷激光器，其发射波长为红绿可见波段，不同于以往研究中以稀土离子掺杂为增益介质得到的红外波段激光。本发明中激光器谐振腔内不含有非线性变频晶体，在获得可见波段激光方面不同于以往需要通过倍频技术得到红绿波段激光，进而使激光输出效率也相应提高，有效提高系统总体稳定性，更有利于激光器实现结构小型化。 

基于国内外对铒镱稀土离子共掺发光的研究，得出由于Er³⁺的吸收截面较低，因此选用较高浓度的Yb³⁺作为敏化剂，能有效地消除Er³⁺的浓度猝灭现象，并且由于Er³⁺和Yb³⁺间吸收带重叠较大，因此能够大大提高Er³⁺的抽运效率。图2为Yb³⁺，Er³⁺:Y₂O₃透明陶瓷吸收光光谱，根据对二者吸收波段的测量，得到在980nm处Er³⁺和Yb³⁺有共同的强吸收峰，如图3为980nm波段激光抽运下Er³⁺和Yb³⁺离子上转换发光示意图。从图中可以看出，Er³⁺在980nm抽运光作用下产生的上转换发光包括了基态吸收(Ground state absorption--GSA)： ⁴I_15/2(Er³⁺)+photon→⁴I_11/2(Er³⁺)；和激发态吸收(Excited state absorption-ESA)： ⁴I_11/2(Er³⁺)+photon→⁴F_7/2(Er³⁺)；以及交叉弛豫现象(Cross-relaxation--CR)：⁴I_11/2(Er³⁺)+⁴I_11/2(Er³⁺)→⁴F_7/2(Er³⁺)+⁴I_15/2(Er³⁺)。在加入敏化离子Yb³⁺后，由于Yb³⁺离子在980nm抽运光作用下吸收截面大于Er³⁺离子的吸收截面，因此，Yb³⁺离子吸收了大部分抽运光，并与Er³⁺离子产生能量转移：⁴I_15/2(Er³⁺)+²F_5/2(Yb³⁺)→⁴I_11/2(Er³⁺)+²F_7/2(Yb³⁺)，⁴I_11/2(Er³⁺)+²F_5/2(Yb³⁺)→ ⁴F_7/2(Er³⁺)+²F_7/2(Yb³⁺)。上转换发光具体过程可表述如下：