专利名称：一种提高固体激光器泵浦利用效率的方法及其产品的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种提高固体激光器泵浦利用效率的方法，属激光器和光电子器件领域。
背景技术：
固体激光器是一类被广泛使用的固体激光器，在激光加工、激光标记、科学研究等等方面有着广泛应用。常用的固体激光材料有掺杂钇铝石榴石类、掺杂氟化铝锶锂类、掺杂钒酸钇和掺杂钨酸钾钆类等，它们吸收峰的特点是存在多个吸收峰且彼此分立。目前的激光泵浦源，除半导体激光器泵浦是针对某一吸收峰外，其余泵浦源诸如氙灯、溴钨灯、氪灯、汞灯和近些年提出的太阳光等，其光谱分布范围均比较宽，相当比例的能量分布在固体激光材料的吸收峰以外的波段，尤其在可见光短波长部分有相当比例的能量得不到有效利用，由于这部分能量转化为热，对固体激光器的散热提出了更高要求。半导体量子点是一种尺寸在几个纳米的颗粒材料，制备方法也比较成熟，如利用高温熔融退火法直接在硅酸盐玻璃、氟化物玻璃中生长量子点，也可以用化学法产生分散于胶体中的量子点，再将这些量子点掺入有机光学材料，如UV胶、PMMA等，制成掺有量子点的固态材料。比如颗粒半径为2. Inm的CcKe半导体纳米晶，其对波长短于600nm的光均具有较强的吸收，而在eiOnm的波段处有发射峰。半导体纳米晶的还有一大特点，可以通过制备不同颗粒半径的量子点，使其发射峰移至指定波长位置处，其吸收峰也相应的移动，这样可以针对固体激光器的吸收峰的位置而定制半导体量子点尺寸。
发明内容
本发明要克服现有固体激光器泵浦效率低下的缺点，提供一种提高固体激光器泵浦利用效率的方法及其产品，且无需对激光器结构做大的调整。本发明所述的提高固体激光器泵浦利用效率的方法，包括如下步骤步骤1，制备掺有半导体量子点的波长转换材料，所述波长转换材料吸收固体激光器泵浦光的短波长部分的光并将其转换为激光材料吸收峰处的光，使得原本不在激光材料吸收峰范围内的光被激光材料吸收；步骤2，在所述的固体激光材料和泵浦光源之间放置所述的波长转换材料，所述的波长转换材料的放置位置在激发光传输到所述的固体激光材料前的路径上。进一步，所述的步骤1采用熔融法直接在硅酸盐玻璃或者硼酸盐玻璃中产生量子点；合理控制制备条件，使得产生的量子点具有适当的尺寸，所述的量子点发射峰处于固体激光材料的吸收峰处，所述的量子点就会把处于量子点吸收光谱内的光，转化为可以被固体激光材料吸收的光，从而为固体激光材料提供泵浦能量。或者，所述的步骤1包括(1)采用化学法产生分散于胶体的量子点，合理控制制备条件，使得产生的量子点具有适当的尺寸，所述的量子点发射峰处于固体激光材料的吸收峰处，所述的量子点就会把处于量子点吸收光谱内的光，转化为可以被固体激光材料吸收的光，从而为固体激光材料提供泵浦能量；(2)再将这些量子点掺入透明光学基质材料混合，制成掺有量子点的固态材料。再进一步，所述的固体激光材料为掺杂钇铝石榴石类、掺杂氟化铝锶锂类、掺杂钒酸钇或掺杂钨酸钾钆类；所述的波长转换材料的基质材料为二氧化硅玻璃、硅酸盐玻璃、氟化物玻璃、光学紫外胶、PMMA或者PS ；所述的波长转换材料中所掺杂量子点为=CcKe或CdS 或核壳结构的CdSe-S^e或CcKe-ZnS或CdS-SiS ；所述的波长转换材料内掺杂的量子点直径在1 10nm。采用本发明所述的方法的高效固体激光器泵浦，包括固体激光材料和泵浦光源， 其特征在于在所述的固体激光材料和泵浦光源之间放置一种掺有半导体量子点的波长转换材料，所述的波长转换材料吸收泵浦光源的短波长部分的光并将其转换为所述的固体激光材料吸收峰处的光，所述的波长转换材料的放置位置在激发光传输到所述的固体激光材料前的路径上。进一步，激光泵浦方式为端面泵浦，波长转换材料的形状是片状。进一步，激光泵浦方式为在通过聚光腔的侧面泵浦，波长转换材料的形状是与聚光腔相似形状的筒状。再进一步，所述的激光泵浦源可以是氙灯、溴钨灯、氪灯或者太阳光之一，或其组
I=I O本发明通过在固体激光材料和泵浦光源之间放置一种掺有半导体量子点的波长转换材料，这种波长吸收固体激光器泵浦光的短波长部分的光并将其转换为激光材料吸收峰处的光，使得原本不在激光材料吸收峰范围内的光被激光材料吸收。本发明提高固体激光器泵浦利用效率的方法，可用于氙灯或太阳光泵浦的激光器，既可用于端面泵浦的激光器，也可用于侧面泵浦的激光器，具有无需对激光器结构做大的调整、方法简单等优点。发明的原理如下通过在固体激光材料和泵浦光源之间放置一种波长转换材料实现。这种波长转换材料是一种掺杂有合适颗粒半径的硒化铅量子点的光学材料，基底可以是光学玻璃或者有机光学材料。当激光器的泵浦光照射到波长转换材料上，其短波长部分的光被波长转换材料吸收，并发光。合理选择量子点的颗粒半径，使得波长转换材料的发光波长处于固体激光材料的吸收波段内，使得原本不在固体激光材料吸收峰范围内的光被固体激光材料吸收。本发明的提高固体激光器泵浦利用效率的方法，可用于氙灯、溴钨灯、氪灯或者太阳光泵浦的固体激光器，既可用于端面泵浦的激光器，也可用于侧面泵浦的激光器。半导体材料的尺寸减小到某个尺寸(半导体块材料中的束缚激子的Bohr半径) 以下时，其能级将产生分立结构，并产生量子尺寸效应，即其发射峰的中心随量子点的尺寸而变化，因此可制备不同尺寸的量子点以产生需要的波长。由于量子点制备的工艺特点，制备的量子点尺寸呈现一个单峰分布，产生的光谱有一定宽度(约十几纳米)。不同制备工艺条件下制备得到颗粒尺寸不同的量子点，它们产生的光谱的中心波长不同。合理控制制备条件，使得产生的量子点的发射峰处于固体激光材料的吸收峰处，这些量子点就会把处于量子点吸收光谱内的光，转化为可以被固体激光材料吸收的光，从而为固体激光材料提供泵浦能量。
波长转换材料的制备有两种基本方法一是利用熔融法直接在玻璃中产生量子点，可以是硅酸盐玻璃或者硼酸盐玻璃；二是用化学法产生分散于胶体的量子点，再将这些量子点掺入透明光学材料混合(如光学紫外胶、PMMA等)，制成掺有量子点的固态材料。激光器的泵浦方式有端面泵浦和侧面泵浦两种。对于端面泵浦形式，把掺有量子点的固态材料制备成平板状，尺寸与激光晶体的切面相当，并放置在激光晶体的端面处。如果是侧面泵浦的，把掺有量子点的固态材料制备成圆柱形筒状，内表面应与激光晶体的圆柱外表面贴合紧密，或者将掺有量子点的固态材料均勻覆盖激光器聚光腔的内表面。本发明的优点是能量利用效率提高。
图1为本发明采用端面泵浦方式的一种结构示意图。图1中1-波长转换材料、2-激光器腔镜、3-固体激光材料、4-泵浦光源。图2为本发明采用侧面泵浦方式的一种结构示意图。图2中11-波长转换材料、22-激光器腔镜、33-激光材料、44-泵浦光源、55-聚光腔。图3为本发明掺有颗粒半径为2. Inm的硒化铬量子点的波长转换材料的发射光
■i並曰ο图4为本发明掺钕钨酸钾钆激光晶体的吸收光谱。图5为本发明掺有颗粒半径为2. Inm的硒化铬量子点的波长转换材料的吸收光
■i並曰ο
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明实施例1 参照附图1、3、4、5 提高固体激光器泵浦利用效率的方法，包括如下步骤步骤1，制备掺有半导体量子点的波长转换材料，所述波长转换材料吸收固体激光器泵浦光的短波长部分的光并将其转换为激光材料吸收峰处的光，使得原本不在激光材料吸收峰范围内的光被激光材料吸收；步骤2，在所述的固体激光材料和泵浦光源之间放置所述的波长转换材料，所述的波长转换材料的放置位置在激发光传输到所述的固体激光材料前的路径上。所述的步骤1采用熔融法直接在硅酸盐玻璃或者硼酸盐玻璃中产生量子点；合理控制制备条件，使得产生的量子点具有适当的尺寸，所述的量子点发射峰处于固体激光材料的吸收峰处，所述的量子点就会把处于量子点吸收光谱内的光，转化为可以被固体激光材料吸收的光，从而为固体激光材料提供泵浦能量。或者，所述的步骤1包括(1)采用化学法产生分散于胶体的量子点，合理控制制备条件，使得产生的量子点具有适当的尺寸，所述的量子点发射峰处于固体激光材料的吸收峰处，所述的量子点就会把处于量子点吸收光谱内的光，转化为可以被固体激光材料吸收的光，从而为固体激光材料提供泵浦能量；(2)再将这些量子点掺入透明光学基质材料混合，制成掺有量子点的固态材料。所述的固体激光材料为掺杂钇铝石榴石类、掺杂氟化铝锶锂类、掺杂钒酸钇或掺杂钨酸钾钆类；所述的波长转换材料的基质材料为二氧化硅玻璃、硅酸盐玻璃、氟化物玻璃、光学紫外胶、PMMA或者PS ；所述的波长转换材料中所掺杂量子点为=CcKe或CdS或核壳结构的CdSe-S^e或CcKe-ZnS或CdS-SiS ；所述的波长转换材料内掺杂的量子点直径在 1 IOnm0采用本发明所述的方法的高效固体激光器泵浦，包括固体激光材料3和泵浦光源 4，在所述的固体激光材料3和泵浦光源4之间放置一种掺有半导体量子点的波长转换材料 1，所述的波长转换材料1吸收泵浦光源4的短波长部分的光并将其转换为所述的固体激光材料3吸收峰处的光，所述的波长转换材料1的放置在激发光传输到所述的固体激光材料 3前的路径上。激光泵浦方式为端面泵浦，波长转换材料1的形状是片状。所述的泵浦光源4可以是氙灯、溴钨灯、氪灯或者太阳光之一，或其组合。按照图1制作一台固体激光材料3为掺钕钨酸钾钆的固体激光器，采用端面泵浦的方式，泵浦光源4可以是氙灯、溴钨灯、氪灯或者太阳光，激发光从激光晶体的左端面导入，经过波长转换材料1和左侧的腔镜2照射到固体激光材料3上。掺有硒化铬量子点的波长转换材料1的发射峰的光谱(图3)在598nm，发射峰的光谱宽度大约为25nm，对比掺钕钨酸钾钆的吸收峰(图4)，可以看出波长转换材料1的发射峰和掺钕钨酸钾钆的吸收峰吻合较好。由掺有硒化铬量子点的波长转换材料1的吸收光谱(图幻可以看出，硒化铬量子点的波长转换材料1对波长小于598nm的光具有很好的吸收特性，波长转换材料1将这部分光的能量转换到598nm处，使得波长小于598nm的那部分光的能量可以被掺钕钨酸钾钆的固体激光材料3吸收，从而提高泵浦效率。实施例2 参照附图2、3、4、5 本实施例与实施例一的不同之处是激光泵浦方式改为在通过聚光腔5的侧面泵浦，波长转换材料11的形状是与聚光腔5相似形状的筒状。按照图2制作一台激光材料33为掺钕钨酸钾钆的固体激光器，采用侧面泵浦的方式，泵浦光源44可以是氙灯、溴钨灯或氪灯，激发光经聚光腔55导入激光晶体33的侧面， 在聚光腔阳的内表面或者激光晶体33的侧面覆盖波长转换材料11。本实施例的其它说明如实施例1的说明。
权利要求
1.提高固体激光器泵浦利用效率的方法，包括如下步骤步骤1，制备掺有半导体量子点的波长转换材料，所述波长转换材料吸收固体激光器泵浦光的短波长部分的光并将其转换为激光材料吸收峰处的光，使得原本不在激光材料吸收峰范围内的光被激光材料吸收；步骤2，在所述的固体激光材料和泵浦光源之间放置所述的波长转换材料，所述的波长转换材料的放置位置在激发光传输到所述的固体激光材料前的路径上。
2.如权利要求1所述的一种提高固体激光器泵浦利用效率的方法，其特征在于所述的步骤1采用熔融法直接在硅酸盐玻璃或者硼酸盐玻璃中产生量子点，合理控制制备条件，使得产生的量子点具有适当的尺寸，所述的量子点发射峰处于固体激光材料的吸收峰处，所述的量子点就会把处于量子点吸收光谱内的光，转化为可以被固体激光材料吸收的光，从而为固体激光材料提供泵浦能量。
3.如权利要求1所述的一种提高固体激光器泵浦利用效率的方法，其特征在于所述的步骤1包括(1)采用化学法产生分散于胶体的量子点，合理控制制备条件，使得产生的量子点具有适当的尺寸，所述的量子点发射峰处于固体激光材料的吸收峰处，所述的量子点就会把处于量子点吸收光谱内的光，转化为可以被固体激光材料吸收的光，从而为固体激光材料提供泵浦能量；(2)再将这些量子点掺入透明光学基质材料混合，制成掺有量子点的固态材料。
4.如权利要求2或3所述的一种提高固体激光器泵浦利用效率的方法，其特征在于 所述的固体激光材料为掺杂钇铝石榴石类、掺杂氟化铝锶锂类、掺杂钒酸钇或掺杂钨酸钾钆类；所述的波长转换材料的基质材料为二氧化硅玻璃、硅酸盐玻璃、氟化物玻璃、光学紫外胶、PMMA或者PS ；，所述的波长转换材料中所掺杂量子点为=CcKe或CdS或核壳结构的 CdSe-S^e或CcKe-ZnS或CdS-SiS ；所述的波长转换材料内掺杂的量子点直径在1 10nm。
5.采用权利要求1所述的方法的高效固体激光器泵浦，包括固体激光材料和泵浦光源，其特征在于在所述的固体激光材料和泵浦光源之间放置一种掺有半导体量子点的波长转换材料，所述的波长转换材料吸收泵浦光源的短波长部分的光并将其转换为所述的固体激光材料吸收峰处的光，所述的波长转换材料的放置位置在激发光传输到所述的固体激光材料前的路径上。
6.如权利要求5所述的高效固体激光器泵浦，其特征在于激光泵浦方式为端面泵浦， 所述的波长转换材料的形状是片状。
7.如权利要求5所述的高效固体激光器泵浦，其特征在于激光泵浦方式为在通过聚光腔的侧面泵浦，所述的波长转换材料的形状是与聚光腔相似形状的筒状。
8.如权利要求6或7所述的高效固体激光器泵浦，其特征在于所述的泵浦光源可以是氙灯、溴钨灯、氪灯或者太阳光之一，或其组合。
全文摘要
本发明涉及一种提高固体激光器泵浦利用效率的方法及产品，通过在固体激光材料和泵浦光源之间放置一种掺有半导体量子点的波长转换材料，这种波长吸收固体激光器泵浦光的短波长部分的光并将其转换为激光材料吸收峰处的光，使得原本不在激光材料吸收峰范围内的光被激光材料吸收。本发明可用于氙灯或太阳光泵浦的激光器，既可用于端面泵浦的激光器，也可用于侧面泵浦的激光器，具有效率高、无需对激光器结构做大的调整、方法简单等优点。
文档编号H01S3/02GK102368583SQ201110361578
公开日2012年3月7日 申请日期2011年11月15日 优先权日2011年11月15日
发明者严金华, 张航, 程成, 陈钢, 马德伟 申请人:浙江工业大学