专利名称：一类掺杂铒、镱和铈离子的钨酸盐激光晶体及其用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光晶体和器件领域。
背景技术：
铒激光器的1.5-1.6(im输出波段处于光纤通信窗口和大气传输窗口，而且该 波段激光对人眼安全，因此被广泛应用在国防和民用领域。钨酸盐晶体具有较 低的有效声子能量(约900cm—1)，因此在该类基质晶体中Er"离子4111/2~>4113/2 能级间的无辐射跃迁几率较小，41 /2能级的荧光寿命较长，从而导致较强的上 转换能量损耗，使得经波长在976mn附近的InGaAs半导体激光泵浦后，布居于 4111/2能级的￡1"3+离子无法有效布居到激光上能级4113/2，从而抑制了 1.5-1.6ium波 段激光的有效运转。目前，利用半导体激光泵浦以Ei^+和Y^+为激活和敏化离 子的双掺鸨酸盐激光晶体，1.5-1.6pm波段激光输出的最大斜率效率仅为1.6%。
(^3+离子能级结构简单，只有一个基态卞5/2和一个激发态￥7/2，此二能级间 距与E一+离子4111/2与4113/2能级间距比较接近。因此在E^离子激活的钨酸盐晶 体中同时掺入Ce"离子，可以通过声子辅助能量传递Er3+(4I /2)+Ce3+(2F5/2)— E,。，)+Ce，F7,2)大幅度增加E一+离子在激光上能级4113/2的布居。因此在Er3+ 离子掺杂的钨酸盐晶体中同时掺入C^+离子将是实现低阈值和高效1.5-1.6pm 波段激光输出的一种有效方法。
发明内容
本发明的目的在于制备一类同时掺入Yb"和C^+离子的E,离子激活的钨 酸盐晶体，通过控制晶体中Er3、 ￥133+和(^3+离子的浓度，实现低阈值和高效的 1.5-1.6pm波段激光运转。本发明包括如下技术方案
1. 一类惨杂Er3+、 Yb31n (^3+离子的钨酸盐激光晶体，该类晶体的分子式为 RErxYbyCezRe(1.x_y.z)(W04)2 ， 其中 x=0.05-10mol% ， y=0.5-60mol% ， z=l-99.95mol%，且x+y+z^l; R为K、 Na、 Li等碱金属元素中某一元素或 若干元素的组合；Re为Sc、 Y、 La、 Gd、 Lu、 Bi等元素中某一元素或若干 元素的组合。R为Na、 Li时，该系列晶体属于四方晶系，为单轴晶，空间 群为I4"a，单胞参数为a=5.20(19)A， c=11.30(13)A， a=(3=Y=90°; R为K时， 该系列晶体属于单斜晶系，为双轴晶，空间群为C2/c，单胞参数为 a=10.61(9)A， b=10.19(13)A， c=7.47(13)A， a=y=90;卩=130.86(15)。。
2. —种输出1.5-1.6^im波段激光的固体激光器，由泵浦系统、激光腔和以项1 所述的激光晶体作为激光增益介质组成，采用发射光能被该激光晶体有效吸 收的泵浦源。
3. 如项2所述的激光器，直接在激光晶体的两端面镀膜，构成一台没有入射腔 镜和出射腔镜的激光器。
4. 一种输出1.5-1.6pm波段激光的可调谐激光器，在项2所述固体激光器的激 光腔中插入调谐元件，获得1.5-1.6)am波段的可调谐激光运转。
5. —种输出1.5-1.6pm波段激光的脉冲激光器，在项2所述固体激光器的激光 腔中插入调Q或锁模元件，获得1.5-1.6pm波段的脉冲激光运转。
6. —种输出750-800nm波段激光的倍频激光器，在项2所述固体激光器的激光 腔中插入非线性光学晶体，获得750-800nm波段的倍频激光运转。
7. —种输出750-800nm波段激光的倍频脉冲激光器，在项6所述倍频激光器的 激光晶体与非线性光学晶体之间插入调Q或锁模元件，实现750—800nm波 段的倍频脉冲激光输出。前述项4所述的可调谐激光器，可将输入腔镜膜和输出腔镜膜直接镀在激 光晶体的泵浦端面和调谐元件的激光输出端面，构成没有入射腔镜和出射腔镜 的激光器。也可将激光晶体和调谐元件粘贴在一起。
前述项5所述的脉冲激光器，可将输入腔镜膜和输出腔镜膜直接镀在激光 晶体的泵浦端面和调Q或锁模元件的激光输出端面，构成没有入射腔镜和出射 腔镜的激光器。也可将激光晶体和调Q或锁模元件粘贴在一起。
前述项6所述的倍频激光器，可将输入腔镜膜和输出腔镜膜直接镀在激光 晶体的泵浦端面和非线性光学晶体的激光输出端面，构成没有入射腔镜和出射 腔镜的激光器。也可将激光晶体和非线性光学晶体粘贴在一起。
前述项7所述的倍频脉冲激光器，可将输入腔镜膜和输出腔镜膜直接镀在 激光晶体的泵浦端面和非线性光学晶体的激光输出端面，构成没有入射腔镜和 出射腔镜的激光器。也可将激光晶体，调Q或锁模元件，非线性光学晶体三者 粘贴或部分粘贴在一起。
实施本发明技术方案具有的有益效果是RErxYbyCezRe(1-x_y-z)(W04)2激光晶 体在空气中不潮解，具有良好的热、机械和化学稳定性；以 RErxYbyCezRe(1.x.y.z)(W04)2晶体为激光增益介质可以实现低阈值和高效 1.5-1.6pm波段激光输出；E一+离子4113/244115/2跃迁在该类晶体中还具有较宽的 荧光发射带，以RErxYbyCezRe(Lx.y.z)(W04)2晶体为激光增益介质还可实现可调谐 和超短脉冲1.5-1.6pm波段激光输出。
具体实施例方式
实例1: 976nm半导体激光端面泵浦Er3+、 Yb3+、 Ce^离子三掺NaGd(W04)2 晶体实现1588nrn激光输出。
利用提拉法生长得到掺杂12.0at%Yb3+、 1.0at.%Er31tl 43.0at.。/。Ce"的NaGd(W04)2晶体。然后将1.10mm厚的晶体(端面积一般在平方毫米到平方厘 米)端面抛光后置于激光腔中，入射镀膜腔镜在976nm波长处高透、1588nm波 长处高反01>99%)，出射镀膜腔镜在976nm波长处高反(11>98%)、 1588nm波 长处透过率为1.8%。利用976nm半导体激光端面泵浦，此激光器即可实现阈值 为2W，输出斜率效率和输出功率分别达19"/。和2W的1588nm激光。将其中一
面或两面介质膜镀在晶体通光面上亦可构成激光器件，并实现同样的目的。
实例2: 974nm半导体激光端面泵浦Er3+、 Yb3+、 C^+离子三掺NaY(W04)2 晶体实现1540nm激光输出。
利用提拉法生长得到掺杂13.0at.%Yb3+、 0.9at.%Er31n 47.0at.%Ce3+的 NaY(W04)2晶体。然后将1.0mm厚的晶体(端面积一般在平方毫米到平方厘米) 端面抛光后置于激光腔中，入射镀膜腔镜在974nm波长处高透、1540nm波长处 高反(11>99%)，出射镀膜腔镜在974nm波长处高反(R〉98。/。)、 1540nm波长处 透过率为3.8%。利用974nm半导体激光端面泵浦，此激光器即可实现阈值为 2.1W，斜率效率和输出功率分别达16%和1.8W的1540nm激光。将其中一面或
两面介质膜镀在晶体通光面上亦可构成激光器件，并实现同样的目的。
实例3: 981nm半导体激光端面泵浦E,、 Yb3+、 Ce^离子三掺KGd(W04)2 晶体实现1545nm的激光输出。
利用熔盐法生长得到掺杂10.0at.%Yb3+、 0.8at.%Er3lB 40.0at.%Ce3+的 KGd(W04)2晶体。然后将0.7mm厚的晶体(端面积一般在平方毫米到平方厘米) 端面抛光后置于激光腔中，入射镀膜腔镜在981nm波长处高透、1545nm波长处 高反(11>99%)，出射镀膜腔镜在981nrn波长处高反(11>98%)、 1545nm波长处 透过率为5.8%。利用981nm半导体激光端面泵浦，此激光器即可实现阈值为2W， 斜率效率和输出功率分别达15%和1.8W的1545nm激光。将其中一面或两面介质膜镀在晶体通光面上亦可构成激光器件，并实现同样的目的。
实例4: 974nrn半导体激光端面泵浦Er3+、 Yb3+、 Ce^离子三掺NaY(W04)2 晶体实现1540nm被动调Q脉冲激光输出。
将被动调Q元件(如Co2+:MgAl204， Co2+:ZnSe等)插入实例2中激光晶体和 输出腔镜之间，利用974nm半导体激光端面泵浦即可实现1540nm被动调Q脉 冲激光输出。或者将激光晶体的一个端面与调Q元件的一个端面粘贴，再将激 光晶体和调Q元件的另一个端面镀上适合974nm红外激光端面泵浦、激光谐振 并输出1540nm激光的介质膜，利用974nm半导体激光端面泵浦也可输出 1540nm被动调Q脉冲激光。
实例5: 976nm半导体激光端面泵浦E,、 Yb3+、 Ce"离子三掺NaGd(W04)2 晶体实现794nm的倍频激光输出。
在实例1中激光晶体和出射镀膜腔镜间加入沿倍频1588nm激光的I类相位 匹配角切割的P-BBO晶体(0 = 19.9°， q>=0°)。输入腔镜在976nm波长处高透， 794nm和1588nm波长处高反(R>99%)。输出腔镜在976nm波长处高反 (R>98%)， 1588nm波长处高反(R〉99。/。)，在794nm波长处高透(T>80%)。利 用976nm半导体激光端面泵浦即可输出794nm的倍频激光。也可以将激光晶体 的一个端面与P-BBO晶体的一个端面粘贴，输入腔镜膜和输出腔镜膜直接镀在 激光晶体和P-BBO晶体的另一个端面上，以实现同样的目的。
权利要求
1.一类掺杂铒、镱和铈离子的钨酸盐激光晶体，其特征在于该类晶体的分子式为RErxYbyCezRe(1-x-y-z)(WO4)2，其中x＝0.05-10mol％，y＝0.5-60mol％，z＝1-99.95mol％，且x+y+z≤1；R为K、Na、Li碱金属元素中某一元素或若干元素的组合；Re为Sc、Y、La、Gd、Lu、Bi元素中某一元素或若干元素的组合；R为Na、Li时，该系列晶体属于四方晶系，为单轴晶，空间群为I41/a，单胞参数为 id="icf0001" file="A2008100710980002C1.tif" wi="26" he="5" top= "82" left = "67" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/> id="icf0002" file="A2008100710980002C2.tif" wi="29" he="5" top= "82" left = "97" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>α＝β＝γ＝90°；R为K时，该系列晶体属于单斜晶系，为双轴晶，空间群为C2/c，单胞参数为 id="icf0003" file="A2008100710980002C3.tif" wi="27" he="5" top= "93" left = "161" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/> id="icf0004" file="A2008100710980002C4.tif" wi="29" he="5" top= "104" left = "26" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/> id="icf0005" file="A2008100710980002C5.tif" wi="27" he="5" top= "104" left = "59" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>α＝γ＝90，β＝130.86(15)°。
2. —种输出1.5-1.6pm波段激光的固体激光器，由泵浦系统、激光腔和激光增 益介质组成，其特征在于该激光器以权利要求1所述的激光晶体作为增益 介质，采用发射光能被该激光晶体有效吸收的泵浦源。
3. 如权利要求2所述的激光器，其特征在于直接在激光晶体的两端面镀膜， 构成一台没有入射腔镜和出射腔镜的激光器。
4. 一种输出1.5-1.6)im波段激光的可调谐激光器，其特征在于在权利要求2 所述固体激光器的激光腔中插入调谐元件，获得1.5-1.6pm波段的可调谐激 光运转。
5. —种输出1.5-1.6pm波段激光的脉冲激光器，其特征在于在权利要求2所 述固体激光器的激光腔中插入调Q或锁模元件，获得1.5-1.6nm波段的脉冲激光运转。
6. —种输出750-800nm波段激光的倍频激光器，其特征在于在权利要求2 所述固体激光器的激光腔中插入非线性光学晶体，获得750-800nm波段的倍 频激光运转。7. —种输出750-800nm波段激光的倍频脉冲激光器，其特征在于在权利要求6.所述倍频激光器的激光晶体与非线性光学晶体之间插入调Q或锁模元件， 实现750—800nm波段的倍频脉冲激光输出。
全文摘要
一类掺杂铒、镱和铈离子的钨酸盐激光晶体及其用途，涉及激光晶体和器件领域。该类晶体的分子式为REr<sub>x</sub>Yb<sub>y</sub>Ce<sub>z</sub>Re<sub>(1-x-y-z)</sub>(WO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>，其中x＝0.05-10mol％，y＝0.5-60mol％，z＝1-99.95mol％，且x+y+z≤1；R为K、Na、Li等碱金属元素中某一元素或若干元素的组合；Re为Sc、Y、La、Gd、Lu、Bi等元素中某一元素或若干元素的组合。该类晶体在空气中不潮解，具有良好的热、机械和化学稳定性。以该类晶体为激光增益介质可以实现低阈值和高效1.5-1.6μm波段激光运转。
文档编号H01S3/08GK101588009SQ200810071098
公开日2009年11月25日 申请日期2008年5月22日 优先权日2008年5月22日
发明者林炎富, 罗遵度, 陈雨金, 黄建华, 黄艺东, 龚兴红 申请人:中国科学院福建物质结构研究所