专利名称：低掺杂的Nd:CNGG激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光装置，尤其涉及一种二极管(LD)端面或侧面 泵浦的全固态单一波长为935 nm或者倍频后产生467.5 nm激光波长的低 掺杂(Nd掺杂浓度为小于1.8at.%)的Nd:CNGG激光器。
背景技术：
运转于准三能级的900nm附近的激光器近年来成为全固态激光器研 究的重要内容之一 。首先采用900 nm左右的激光可直接倍频产生蓝光激 光输出(Ling Zhang， Chunyu Zhang， Zhiyi Wei， Chi Zhang, Yongbing Long, Zhiguo Zhang, Huaijin Zhang, Jiyang Wang, Chinese Physics Letters, 23, 1192-1194(2006))。众所周知，蓝光激光器在高密度光存储、超短脉冲、 数字视频技术、光谱技术、激光医学、激光大屏幕显示、海洋军事应用 及水下资源探测中具有十分重要的应用前景(LI De-Hua, WANG Ling, GAO Chun誦Qing, ZHANG Zhi陽Guo， FENG Bao-Hua, Volker Gaebler, LIU Bai-Ning， H. J. Eichler， ZHANG Shi画Wen, LIU An-Han, SHEN De画Zhong, Chin. Phys. Lett. 19(2002)504)。此外，近年人们又发现935nm和942nm的 激光位于水蒸气的强吸收峰处(S.G.P. Strohmaier, H丄Eichler, C. Czeranowsky, B. Ileri, K. Petermann, G. Huber, Opt. Commun. 275, 170-172 (2007))，以它们做光源的激光差分雷达可以用于探测水蒸气的分布(Ileri B， Czeranowsky C, Petermann K， Huber G, in Conference on Lasers and Electro-Optics Europe, (IEEE, Munich, 2005), 10.)，这种雷达对环境检测、
气候变化乃至外星生命起源的研究都有重要的意义。
目前，己有人报导(S.G.P. Strohmaier， H丄Eichler, C. Czeranowsky， B. Ileri ， K. Petermann, G. Huber, Opt. Commun. 275， 170-172 (2007))采用 Nd:YGG晶体可同时产生935nm和938nm的双波长激光输出，两个波长 的最大输出总功率为710mW，若使用仅对水蒸气探测有用的935nm波长， 则需要依赖滤波手段将938nm激光从双波长中去除掉。
我们首次在国际上采用适用于四能级运转的高掺杂浓度(2at。/。)的 Nd:CNGG晶体实现了 935nm单波长激光原理性运转，并获得最大输出为 23.5mW的激光输出(张春雨博士论文《LD泵浦的准三能级900-950nm 激光器及多壁碳纳米管超快动力学研究》，北京理工大学信息科学技术学 院，2007)。但是，这种高掺杂浓度(>2at.%) Nd:CNGG的晶体主要适 用于四能级激光运转，在准三能级激光运转下，其效率很低。本发明首次 采用适用于激光准三能级高效运转的低掺杂(小于1.8.at.%) Nd:CNGG 晶体做为激光增益介质，获得了瓦级以上的基频935nm的单波长输出。 从而提供了一种新型的，激光输出功率高，实用性强的激光器器件和系统。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够产生高功率的单一波长 935 nm激光输出或者倍频后产生467.5 nm激光波长的低掺杂 (1.8.%~0.1at.%) Nd:CNGG (Nd掺杂的Ca3(NbGa)2_xGa3012)激光器。 该激光器中采用了 Nd掺杂浓度为(1.8.%~0.1at.%)的CNGG晶体做为激 光增益介质，获得了单波长为935nm的高效激光运转，其激光输出功率 可达瓦级以上。
为达到上述目的，本发明采用了如下的方案
本发明的二极管(LD)端面或侧面泵浦的全固态单一波长为935 nm 或者倍频后产生467.5 nm激光波长的Nd:CNGG激光器，包括泵源、光
学耦合系统、激光谐振腔并采用端面或侧面泵浦方式；所述光谐振腔为直 线腔或折叠腔结构，包括激光谐振腔镜、激光增益介质、腔内功能元件，
其中激光谐振腔镜的端镜之一通过在激光增益介质Nd:CNGG (Nd掺杂 浓度为1.8&1.°/。,优选小于1.6a"/。,更优选小于1.0at.%)晶体的一个端面上 直接镀膜而使所述端镜和激光增益介质合二为一，激光增益介质 Nd:CNGG的另一端面镀增透膜，且其它激光谐振腔镜同样进行镀膜处理， 以抑制卞3/2-、 1/2和4F3/2-4I13/2激光运转，获得了 4F3/2-4I9/2能级跃迁下935 nm 激光的高效激光运转或者通过倍频获得467.5 nm蓝色激光运转。
上述激光器中，通过选择腔内功能元件，可获得935 nm连续激光运 转或935 nm脉冲激光运转。
进一步地，所述腔内功能元件为调Q元件、锁模元件和/或倍频元件
等
进一步地，所述泵源可以是端面泵浦的LD巴条(Bar)光纤耦合半 导体激光器、LD巴条(Bar)光束整形半导体激光器、LD单管激光器、 侧面泵浦的单条LD巴条(Bar)激光器或多条LD巴条(Bar)激光器。
进一步地，所述激光增益介质为单棒或复合棒的Nd:CNGG晶体或者 是Nd:CNGG晶片。
进一步地，所述复合棒Nd:CNGG晶体激光增益介质，由Nd:CNGG 晶体制成，激光晶体两端扩散键合未掺杂的YAG或CNGG晶体。
进一步地，所述激光增益介质运行时需冷却，按不同运行条件温度在 l-2(^C可调，其控温精度优于士iQc。
进一步地，通过使用倍频晶体例如LBO、 BBO、 BiBO、 KNb03实现 倍频输出467.5 nm蓝色激光且按不同倍频晶体要求控温运行，其控温精 度优于士0.5GC。进一步地，激光工作物质可以直接水冷、TEC传导冷却(风冷)或 者水冷和风冷混合式冷却。
进一步地，对所述激光增益介质为Nd:CNGG晶体，在其泵浦端面上 直接镀膜或者单独制作激光腔镜镀膜制成所述激光谐振腔输入端镜时，具 体镀膜参数为(a)端泵时808 nmHT(T>90%)， 935 nm HR(R>99.9%)， 1.06 umHT (T>90%) ， 1.34umHT (T>90%) ; (b)侧泵时935 nm HR (R>99.9%) ， 1.06 um HT (T〉90o/o) ， 1.34 um HT (T>90%)。 Nd:CNGG4晶体输出端镀膜参数为935 nmAT， 1.06umAT， 1.34umAT。 激光谐振腔输出端镜镀膜参数为(a) 935 nm激光运转时935 nm透 过率T为0.05%-10%， 1.06umHT (T〉90%) ， 1.34 um HT (T>90%); (b)467.5 nm激光运转时935 nm HR(R>99.9%)， 1.06 um HT (T>90%)， 1.34謹HT (T>90%) ， 467.5 nmHT (T>95%)。
进一步地，所述激光谐振腔内还可放置用于控制光束质量的选模元
本发明采用了 Nd低掺杂浓度(小于1.8at.%)的CNGG晶体做为激 光增益介质，可实现准三能级935 nm单波长的高效激光运转，其激光输 出功率可达瓦级以上，这是采用通常运转于四能级系统的Nd高掺杂 2at.%) Nd:CNGG激光晶体做为激光增益介质实现准三能级运转的激光 器所不能比拟的。此外，通过对谐振腔镜合理的膜系设计可成功地抑制 ^3/2-4111/2和卞3/2-4113/2的四能级激光运转，从而获得了 4F3/r4I9/2的准三能 级连续高效激光运转以及通过使用倍频晶体，可获得467.5 nm的蓝色激 光输出。
图1是本发明采用端面泵浦的结构示意图； 图2是本发明采用侧面泵浦的结构示意图。
图中，1、 二极管泵源；2、光学耦合系统；3、激光谐振腔输入端 镜；4、激光增益介质；5、腔内功能元件；6、激光谐振腔输出端镜。
具体实施方式
实施例l:
二极管巴条(Bar)经光纤耦合端面泵浦的Nd:CNGG激光器产生935 nm的激光波长以及通过倍频元件(LBO、 BBO、 BiBO、 KNb03)倍频后 产生467.5 nm蓝光激光波长。
如图1所示，二极管泵源1为25 W光纤耦合半导体激光器，其工作 波长为808 nm，光纤芯径为400um，经光学耦合系统2聚焦的光斑尺寸 大约为200um，激光增益介质4为0.5at /。掺杂的Nd:CNGG晶体，其尺 寸为3X3X6mm3，激光增益介质通过热沉水冷，其温度控制在5QC，在 激光增益介质4的泵浦端面上直接镀膜，使激光谐振腔输入端镜3与激光 增益介质4合而为一，镀膜参数为R>99.9%@935 nm,T=90%@808 nm， T=90%@1.06 um&1.34 um，激光增益介质4的另一端面对935 nm和1.06 um&1.34um镀增透膜，基频935 nm激光实验中没有倍频晶体5，激光输 出镜6是曲率半径为100 mm的平凹镜，其镀膜情况为T=2%@935 nm。 对倍频实验方案，激光腔内放置LBO倍频晶体5，其两个端面对935 nm .和467.5 nm镀增透膜，尺寸为3 X3 X 10 mm3，按I类相位匹配方式切割， 切割参数为e二9()G， 4>=21.8G，温度控制在10±0.1GC;激光谐振腔输出端 镜6是曲率半径为100 mm的平凹镜，其镀膜情况为R>99.9%@935 nm，HR@467.5nm，基频实验谐振腔长为10 mm,倍频实验谐振腔长为40 mm。
用上述装置可获得瓦级(lw)以上的935nrn激光输出和100 mW的倍 频467.5nm蓝光输出。 实施例2:
单条巴条(Bar)激光二极管经光束耦合侧面泵浦的波长为935 nm的 Nd:CNGG激光器。
如图2所示，二极管泵源1为40 W单条列阵激光二极管泵源，其工 作波长为808 nm，经光学耦合系统2聚焦的光斑尺寸大约为100X500 um2，激光增益介质4为0.2 at.。/。掺杂的Nd:CNGG晶体，其尺寸为3X3 X8mm3，激光增益介质通过热沉水冷，其温度控制在6V，在激光增益 介质4的左端面上直接镀膜，使激光谐振腔左端镜3与激光增益介质4 合而为一，镀膜参数为R>99.9%@935nm，T=90%@808 nm， T=90%@1.06 um&1.34 um,激光增益介质4的另一端面对935 nm和1.06 um&1.34 um 镀增透膜，激光谐振腔输出端镜(右端镜)6是曲率半径为100mm的平 凹镜，其镀膜情况为T=2%@935nm。谐振腔长为10mm。
用上述装置可获得瓦级(lw)的935 nm激光输出。
也可以采用其它的Nd掺杂浓度(0.1at.%、 lat.%、 1.5at.%、 1.8at.%) 的Nd:CNGG晶体形成新的实施例，这里不再赘述。
上述的实施例只是用具体的实例来说明本发明，它不应该理解为是 对本发明的保护范围进行任何限制。而且，熟悉该技术的人们可以明白， 在不脱离本发明精神和原理下，对本发明所进行的各种等效变化、变型 以及在文中没有描述的各种改进均在本专利的保护范围之内。
权利要求
1、一种二极管端面或侧面泵浦的全固态单一波长935nm或者倍频后产生467.5nm激光波长的低掺杂Nd:CNGG激光器，包括泵源、光学耦合系统、激光谐振腔并采用端面或侧面泵浦方式；所述光谐振腔为直线腔或折叠腔结构，包括激光谐振腔镜、激光增益介质、腔内功能元件，其中，激光谐振腔镜的端镜之一通过在增益介质Nd:CNGG的一个端面上直接镀膜而使所述端镜和激光增益介质合二为一，激光增益介质Nd:CNGG的另一端面镀增透膜，且其它激光谐振腔镜同样进行镀膜处理，以抑制4F3/2-4I11/2和4F3/2-4I13/2激光运转，获得了4F3/2-4I9/2能级跃迁下935nm激光的高效激光运转或者通过倍频获得467.5nm蓝色激光运转，其特征在于，所述Nd:CNGG晶体中Nd掺杂浓度小于1.8at.％。
2、 如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述Nd:CNGG晶体中Nd 掺杂浓度小于1.6at.%。
3、 如权利要求1所述的激光器，其特征在于，通过选择腔内功能元件， 可获得935 nm连续激光运转或935 nm脉冲激光运转。
4、 如权利要求1-3任一项所述的激光器，其特征在于，所述腔内功能元 件为调Q元件、锁模元件和/或倍频元件。
5、 如权利要求1-3任一项所述的激光器，其特征在于，所述泵源可以是 端面泵浦的LD巴条(Bar)光纤耦合半导体激光器、LD巴条(Bar)光束整 形半导体激光器、LD单管激光器、侧面泵浦的单条LD巴条(Bar)列阵激 光器或多条LD巴条(Bar)列阵激光器。
6、 如权利要求1-3任一项所述的激光器，其特征在于，所述激光增益介 质为单棒或复合棒的Nd:CNGG晶体或者是Nd:CNGG晶片。
7、 如权利要求6所述的激光器，其特征在于，所述复合棒Nd:CNGG晶 体激光增益介质，由Nd:CNGG晶体制成，激光晶体两端扩散键合未掺杂 的YAG或CNGG晶体。
8、 如权利要求1-3任一项所述的激光器，其特征在于，所述激光增益介 质运行时需冷却，按不同运行条件温度在1-20QC可调，其控温精度优于 士1。C。
9、 如权利要求1-3任一项所述的激光器，其特征在于，通过使用倍频晶 体LBO、 BBO、 BiBO和/或KNb03实现倍频输出467.5 nm蓝色激光。
10、 如权利要求9所述的激光器，其特征在于，按不同倍频晶体要求控温 运行，其控温精度优于士0.5V。
11、 如权利要求1-3任一项所述的激光器，其特征在于，激光工作物质可 以直接水冷、TEC传导冷却或者水冷和风冷混合式冷却。
12、 如权利要求l-3任一项所述的激光器，其特征在于，对所述激光增益 介质为Nd:CNGG晶体，在其泵浦端面上直接镀膜或者单独制作激光腔镜 镀膜制成所述激光谐振腔输入端镜时，具体镀膜参数为(a)端泵时 808nmHT (T>90%) ， 935 nm HR (R>99.9%) ， 1.06 umHT (T>90%)， 1,34 umHT (T>90%) ; (b)侧泵时935 nm HR (R>99.9%) ， 1.06 um HT (T>90°/。) ， 1.34 umHT (T>90%) 。 Nd:CNGG4晶体输出端镀膜参 数为935 nmAT， 1.06 umAT， 1.34 umAT。激光谐振腔输出端镜镀膜 参数为(a) 935 nm激光运转时935 nm透过率T为0.05%-10%， 1.06 umHT (T>90%) ， 1.34 umHT (T>90%) ; (b) 467.5 nm激光运转 时935nmHR(R〉99.9。/Q),1.06 umHT (T>90%)， 1.34 um HT (T>90%)， 467.5 nmHT (T>95%)。
13、 如权利要求1-3任一项所述的激光器，其特征在于，所述激光谐振腔 内还可放置用于控制光束质量的选模元件。
全文摘要
本发明公开了一种二极管端面或侧面泵浦的全固态935nm激光输出或者倍频后产生467.5nm激光波长低掺杂(小于1.8at.％)的Nd:CNGG(Nd掺杂的Ca<sub>3</sub>(NbGa)<sub>2-x</sub>Ga<sub>3</sub>O<sub>12</sub>)激光器。该激光器包括泵源、光学耦合系统、激光谐振腔；采用端面或侧面泵浦方式；激光谐振腔为直线腔或折叠腔结构，由激光谐振腔镜、激光增益介质、腔内功能元件如调Q元件、锁模元件、倍频元件等组成，其中一激光器端镜在激光增益介质Nd:CNGG晶体的一个端面上直接镀膜而使激光端镜和激光增益介质合二为一，激光增益介质Nd:CNGG晶体的另一端面镀增透膜，其他腔镜同样进行镀膜处理。本发明利用低掺杂Nd:CNGG激光晶体可实现基频935nm激光运转或通过倍频获得467.5nm蓝色激光，其基频激光输出功率可达瓦级以上。
文档编号H01S3/16GK101170239SQ20071017598
公开日2008年4月30日 申请日期2007年10月17日 优先权日2007年10月17日
发明者冯宝华, 张怀金, 张春雨, 张治国, 李奇楠, 王继杨, 高春清, 魏志义 申请人:中国科学院物理研究所;山东大学晶体材料研究所;北京理工大学信息科学技术学院