[发明专利]基于键合晶体的1.5至1.6微米波段及其变频激光器

说明书

技术领域

本发明涉及固体激光材料和器件领域。

背景技术

把一块激光晶体和一块或两块纯的同质基底材料通过扩散键合成为稳固结合的整体即为键合晶体。由于同质基底材料起到热沉的作用，有利于激光晶体更好地散热，可有效改善激光晶体中心和侧面的温度梯度，减小由端面变形引起的热透镜效应，有利于实现高功率和高光束质量激光的稳定运转。目前，广泛采用的同质基底材料主要是具有高热导率的纯YAG和YVO₄晶体。利用这些晶体与掺Nd³⁺、Yb³⁺或者Tm³⁺的同质激光晶体键合，可以实现1.0和2.0微米波段的高功率连续激光运转。

采用Er³⁺和Yb³⁺双掺晶体作为增益介质是一种获得高性能1.5至1.6微米波段激光的有效方法。然而，研究发现利用Er³⁺和Yb³⁺双掺的YAG和YVO₄晶体作为增益介质，均难以实现高效的1.5至1.6微米波段激光运转。因此，也就没有相应的键合晶体以实现1.5至1.6微米波段的高功率连续激光。

Er³⁺和Yb³⁺双掺的四硼酸铝盐RAl₃(BO₃)₄（Er:Yb:RAB，R=Y，Gd和Lu等）晶体已经被证明是一种可以实现1.5至1.6微米波段激光高效运转的增益介质。然而，该类晶体在泵浦过程中产生较多的热量，可引起严重的晶体热效应。尽管纯的RAB晶体具有高的热导率（约12Wm^-1K^-1，Cryst.Growth Des.,2011,11(11),pp5048-5052），但是该值随晶体中Yb³⁺离子掺杂浓度的增加而显著降低（5.6at.%Yb:YAB晶体热导率仅为4.7Wm^-1K^-1，Appl.Phys.B,2003,76(3),pp289-292）。而要实现高效的1.5至1.6微米波段激光运转，Er:Yb:RAB晶体中Yb³⁺离子的掺杂浓度必须足够高（大约10at.%以上）。因此，Er:Yb:RAB激光晶体的热导率无法有效减小晶体中的温度梯度，从而限制了1.5至1.6微米波段激光的连续输出功率和光束质量。如果将纯RAB晶体与Er:Yb:RAB激光晶体键合在一起，利用具有高热导率的RAB晶体作为热沉，就可以大大提高1.5至1.6微米波段激光的连续输出功率和光束质量。另外，纯RAB晶体还是一种非常优秀的非线性光学晶体。因此，如果将RAB晶体按照一定的变频相位匹配角切割，还可以利用它们将基频激光通过倍频或和频过程获得变频激光输出。

发明内容

本发明的目的是利用纯的四硼酸铝盐晶体具有热导率高和有效非线性光学系数大的特点，将其与铒镱双掺四硼酸铝盐激光晶体能够实现1.5至1.6微米波段激光高效运转的优点结合起来，克服目前已有材料的不足，实现高光束质量和高功率的1.5至1.6微米波段及其变频激光输出。

本发明包括如下技术方案：

1.一种基于键合晶体的1.5至1.6微米波段固体激光器，是由976纳米附近波长的近红外激光泵浦系统、镀上介质膜的激光输入和输出腔镜以及置于输入和输出腔镜间的激光增益介质所组成。其特征在于：该激光器中的激光增益介质为纯的RAl₃(BO₃)₄基质晶体和铒镱双掺的RAl₃(BO₃)₄激光晶体通过扩散键合技术结合在一起的键合晶体，其中R为Sc、Y、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的组合；铒镱双掺的RAl₃(BO₃)₄激光晶体中铒离子掺杂浓度为0.5～2.0at.%，镱离子掺杂浓度为10～30at.%；基质晶体可以键合在激光晶体的一个端面，也可以同时键合在激光晶体的两个端面。

2.一种基于键合晶体的变频固体激光器。其特征在于：将项1所述的基质晶体和激光晶体均按照其变频相位匹配角进行切割；激光输入和输出腔镜镀上适合变频激光运转的介质膜。

3.如项1和2所述的固体激光器。其特征在于：将其中一面或两面激光腔镜介质膜分别直接镀在所述的键合晶体的一个或两个相对端面上。