专利名称：一种铒镱共掺上转换透明陶瓷激光器的制作方法
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闻，有效提闻系统总体稳定性，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+IY2O3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) 4I15/2(Er3+)+photon — 4I11/2(Er3+);和激发态吸收 (Excited state absorption-ESA) 4I1172 (Er3+) +photon 4F772 (Er3+);以及交叉弛豫现象 (Cross-relaxation—CR) 4I11/2 (Er3+) +4I1172 (Er3+) — 4F7/2 (Er3+)+4I15/2 (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4115/2 (Er3+) +2F572 (Yb3+) — 4I1172 ( Er3+) +2F772 (Yb3+)，4I1172 (Er3+) +2F572 (Yb3+) — 4F772 (Er3+) +2F772 (Yb3+)。上转换发光具体过程可表述如下对于绿光波段输出，敏化离子Yb3+吸收一个红外光子，使得处于2F7/2态的电子跃迁到2F5/2态，随后Yb3+离子将能量传递给Er3+离子对其进行激发，使Er3+离子4115/2基态的电子跃迁至％1/2态上，Yb3+离子2F7/2基态上的电子再吸收一个红外光子，跃迁到2F5/2激发态后，将能量传递给Er3+离子的4111/2激发态上的电子，使电子跃迁到4F7/2激发态上，若经过无辐射弛豫过程到2H11/2激发态上，再跃迁回4115/2基态，就发出540nm的绿光，或者经过无辐射弛豫过程到4S3/2态上，再跃迁回4115/2基态，激发出548nm的绿光。对于红光波段输出，敏化离子Yb3+吸收一个红外光子，使得处于2F7/2态的电子跃迁到2F5/2态，随后Yb3+离子将能量传递给Er3+离子激发Er3+离子，使处于4115/2基态的电子跃迁至4111/2激发态，然后通过无辐射弛豫过程到达％3/2态上，Yb3+离子2F7/2基态上的电子再吸收一个红外光子，跃迁到2F5/2激发态后，将能量传递给Er3+的4Iiv2激发态上的电子，使其跃迁到4F9/2态上，然后4F9/2态上的电子跃迁回4115/2基态，激发出660nm的红光。根据对透明陶瓷工作物质发光谱线的测量，得到发光谱线图如图4所示，从图中可以看出，在采用980nm红外光抽运情况下，同时得到了 550nm绿光以及660nm红光谱线。
发明内容
本发明的目的在于提出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。本发明技术方案一种透明陶瓷激光器，整体结构包括LD端面抽运源，耦合透镜组，镀有相应膜系的全反镜，透明陶瓷增益介质，镀有相应膜系的输出镜。其中LD端面抽运源使用发光中心波段为980nm的激光二极管，耦合透镜组镀有980nm增透膜。所选用的增益介质是以Y2O3为基质，Yb3+、Er3+离子共同掺杂制成的透明陶瓷。透明陶瓷两通光端面镀有与激光工作波长以及抽运光波长相对应的增透膜。谐振腔全反镜镀有980nm增透膜， 以及根据工作波长而选定的全反膜系；谐振腔输出镜镀有针对工作波长具有一定透过率的膜系。激光器可根据透明陶瓷基质中掺杂稀土离子比例不同而获得不同波段的激光，其中 550nm发光谱线由4Sv2 — 4I1572能级间跃迁获得，660nm发光谱线由4F9/2 — 4I1572能级间跃迁获得。本发明中激光器基于上转换发光机制，可直接实现可见波段激光输出，进而可以代替传统倍频激光器，省略其中倍频晶体，有效实现绿色或红色激光高效输出以及激光器结构小型化。
图I为透明陶瓷激光器结构示意图。图2为Yb3+，Er3+IY2O3透明陶瓷吸收光光谱。图3为Yb3+、Er3+在980nm抽运下上转换发光示意图。图4为Yb3+，Er3+IY2O3透明陶瓷发射光光谱。图5为透明陶瓷脉冲激光器结构示意图。
具体实施方式
一种铒镱共掺上转换透明陶瓷激光器，其结构示意图如图I、图5所示。图I结构中，从左至右分别为I. LD端面抽运源，2.耦合透镜组，3.谐振腔全反镜，4.上转换透明陶瓷增益介质，5.谐振腔输出镜。图5结构中，从左至右分别为I. LD端面抽运源，2.耦合透镜组，3.谐振腔全反镜，4. Q开关，5.透明陶瓷增益介质，6.谐振腔输出镜。本发明中激光器所选用的增益介质是以Y2O3为基质，Yb3+、Er3+离子共同掺杂制成的透明陶瓷。透明陶瓷两通光端面镀有与激光工作波长以及抽运光波长相对应的增透膜； LD抽运源采用中心波段为980nm的半导体激光器，其结构可采用LD bar条直接抽运，也可采用光纤耦合输出进行抽运；耦合输出镜均镀有980nm增透膜，通过优化计算，合理设置耦合透镜间距，以使980nm抽运光与激光工作物质基模体积相匹配，达到较好的耦合效果；谐振腔全反镜与输出镜分别镀有与工作波长相匹配的全反以及一定透过率的膜系；如图5结构中，Q开关可根据具体实施情况选择主动式电光或声光Q开关，或者被动Q开关。具体实施方法一激光器结构示意图如图I所示，从左至右分别为I. LD端面抽运源，2.耦合透镜组，
3.谐振腔全反镜，4.透明陶瓷增益介质，5.谐振腔输出镜。以发射中心波长为980nm的半导体抽运模块为抽运源1，其结构可采用LD bar条直接抽运，也可采用光纤耦合输出进行抽运，其发射的抽运光经过镀有980nm增透膜的耦合透镜组2进入谐振腔内，首先经过镀有980nm增透膜以及550nm全反膜的全反镜3,然后进入通光端面镀有550nm增透膜的Yb, EriY2O3上转换透明陶瓷增益介质4，最后经过镀有550nm波段具有一定透过率的输出镜5 在谐振腔内往返振荡，获得550nm波段的连续绿色激光输出。具体实施方法二 激光器结构示意图如图I所示，从左至右分别为I. LD端面抽运源，2.耦合透镜组，
3.谐振腔全反镜，4.透明陶瓷增益介质，5.谐振腔输出镜。以发射中心波长为980nm的半导体抽运模块为抽运源1，其发射的抽运光经过镀有980nm增透膜的耦合透镜组2进入谐振腔内，首先经过镀有980nm增透膜以及660nm全反膜的全反镜3，然后进入通光端面镀有 660nm增透膜的Yb，Er = Y2O3上转换透明陶瓷增益介质4，最后经过镀有660nm波段具有一定透过率的输出镜5在谐振腔内往返振荡，获得660nm波段的连续红色激光输出。具体实施方法三激光器结构示意图如图I所示，从左至右分别为I. LD端面抽运源，2.耦合透镜组，
3.谐振腔全反镜，4.透明陶瓷增益介质，5.谐振腔输出镜。以发射中心波长为980nm的半导体抽运模块为抽运源I，其发射的抽运光经过镀有980nm增透膜的耦合透镜组2进入谐振腔内，首先经过镀有980nm增透膜以及550nm和660nm双波段全反膜的全反镜3，然后进入通光端面镀有550nm以及660nm增透膜的Yb, Er: Y2O3上转换透明陶瓷增益介质4,最后经过镀有550nm和660nm双波段具有一定透过率的输出镜5在谐振腔内往返振荡，获得550nm 和660nm波段的连续绿色和红色双波段激光输出。具体实施方法四前三种实施方法均为获得小功率连续激光输出，主要用于医疗、通讯以及效果演示等方面，但在激光的许多应用中，往往需要高功率的脉冲激光，因此可采用腔内调Q的方法实现高峰值功率脉冲激光输出。激光器结构示意图如图5所示，从左至右分别为I. LD端面抽运源，2.耦合透镜组，3.谐振腔全反镜，4. Q开关，5.透明陶瓷增益介质，6.谐振腔输出镜。此实施方法较前面提到的方法间主要区别是在谐振腔内加入一个Q开关，本实验中可选用调制效果较好的电光Q开关或者声光Q开关，亦可采用结构简单，稳定的被动Q开关，均能够获得高峰值功率的脉冲激光输出。本实施方法中其它技术手段与前三种实施方法相同，可通过选用镀有不同膜系的谐振腔腔镜获得不同波段(550nm、660nm)或者双波段 (550nm和660nm)激光输出。
权利要求
1.一种铒镱共掺上转换透明陶瓷激光器，整体结构包括LD端面抽运源，耦合透镜组， 镀有相应波段全反膜系的全反镜，透明陶瓷增益介质，镀有相应波段一定透过率膜系的输出镜。其中LD端面抽运源使用发光中心波段为980nm的激光二极管，耦合透镜组均镀有 980nm增透膜。
2.如权利要求I所述的铒镱共掺上转换透明陶瓷激光器，其特征在于本发明中的激光器可基于稀土离子上转换发光机制，根据透明陶瓷基质中掺杂稀土离子不同比例直接获得550nm或660nm可见波段的激光。
3.如权利要求I所述的铒镱共掺上转换透明陶瓷激光器，其特征在于所选用上转换透明陶瓷增益介质为Er3+、Yb3+离子共同掺杂制成的透明陶瓷，其基质选用Y2O3透明陶瓷。 上转换透明陶瓷两通光端面镀有与激光工作波长以及抽运光波长相对应的增透膜。
4.如权利要求I所述的铒镱共掺上转换透明陶瓷激光器，其特征在于谐振腔全反镜镀有980nm增透膜，以及与工作波长相对应的全反膜系；谐振腔输出镜镀有针对工作波长具有一定透过率的膜系。
5.如权利要求I所述的铒镱共掺上转换透明陶瓷激光器，其特征在于可通过调Q技术在谐振腔内加入主动或被动Q开关以对连续激光进行调Q，达到输出高峰值功率脉冲激光的目的。
全文摘要
本发明设计一种铒镱共掺上转换透明陶瓷激光器，主要器件包括半导体激光抽运源、激光器谐振腔腔镜以及激光工作物质。其中激光工作物质选用掺杂铒镱稀土离子的具有上转换发光性能的透明陶瓷。本设计的特征在于通过选用具有上转换发光性能的透明陶瓷作为激光器工作物质，能够直接获得绿色或红色激光输出，不同于以往绿光或红光激光器需要通过倍频输出的体制，使激光输出效率相应提高，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。
文档编号H01S3/17GK102610993SQ20121004608
公开日2012年7月25日 申请日期2012年2月28日 优先权日2012年2月28日
发明者于永吉, 何洋, 吴春婷, 王超, 金光勇, 陈薪羽 申请人:长春理工大学