铒、镱和铈离子掺杂的正硅酸盐晶体及其激光器件的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及激光晶体和器件领域。
【背景技术】
[0002]利用铒离子4I13/2— 4115/2跃迀获得的1.55 μ m波段激光处于光纤通信和大气传输窗口，且对人眼安全，可被广泛应用于国防和民用领域。获得该波段激光的一种技术途径是采用对976nm附近波长半导体激光具有较大吸收截面的Yb3+作为敏化离子，通过能量传递使Er3+布居到4111/2能级，然后通过4Ι1；5/；?的无福射弛豫，使Er 3+布居到激光上能级4113/2，最后通过4I13/2— 4115/2跃迀实现1.55 μ m波段的激光输出。
[0003]正硅酸盐晶体物化性质稳定、硬度高、热性能好。但是，该类基质晶体中Er3+离子4i11/2- 4i13/2能级间的无辐射弛豫几率较小，4111/2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976nm附近的InGaAs半导体激光栗浦后，布居于％1/2能级的Er3+离子无法有效布居到激光上能级％3/2，从而抑制了 1.55μπι波段激光的有效运转。目前，利用半导体激光栗浦以Er3+和Yb 3+分别为激活和敏化离子的双掺正硅酸盐激光晶体，
1.55 μ m波段激光输出的最大斜率效率仅为5.6%。
[0004]Ce3+离子能级结构简单，只有一个基态2F5/2和一个激发态2F7/2，此二能级间距同Er3+离子4111/2与4113/2能级的间距比较接近。在Er3+离子激活的正硅酸盐晶体中同时掺入Ce3+离子，可以通过声子辅助能量传递 Er3+ (4I11/2) +Ce3+ (2F5/2) 一 Er3+ (4I13/2) +Ce3+ (2F7/2)大幅度增加Er3+离子在激光上能级4113/2的布居，实现高效的1.55 μ m波段激光输出。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于制备一类Er3+离子激活并同时掺入Yb3+和Ce3+离子的正硅酸盐晶体，采用此类晶体作为增益介质，可获得高效和高平均输出功率的1.55μπι波段固体激光。
[0006]本发明包括如下技术方案:
[0007]1.一类掺杂Er3+、Yb3+和Ce3+离子的正硅酸盐激光晶体，该类晶体属于单斜晶系，分子式为:(ErxYbyCezRe(1 xy z))2Si05，其中 x = 0.002 ?0.02，y = 0.03 ?0.5，ζ = 0.01 ?
0.6，且x+y+z < 1 ;Re为Sc、Y、La、Gd、Lu元素中某一元素或若干元素的组合。
[0008]2.一种1.55μπι波段固体激光器，由半导体激光栗浦系统、激光谐振腔和增益介质组成，其特征在于:采用如项1所述的晶体作为该激光器的增益介质；半导体激光栗浦系统包括976nm附近波长半导体激光以及放置在半导体激光和增益介质之间的光学耦合器；激光谐振腔由输入和输出镜组成；输入镜设计为在976nm附近波长透过率T多70%，在
1.55μπι波段处透过率1%;输出镜设计为在1.55 μm波段处透过率0.10%。
[0009]3.如项2所述的固体激光器，其特征在于:将输入和输出镜分别直接镀在所述的增益介质的一个或两个相对端面上。
[0010]4.一种1.55 μ m波段固体脉冲激光器，其特征在于:在项2所述的激光器的增益介质和输出镜之间插入1.55 μ m波段的调Q或锁模元件；或者将调Q和锁模元件同时置于激光谐振腔中。
[0011]5.如项4所述的固体激光器，其特征在于:将输入镜直接镀在所述的增益介质的输入端面上；或者将输出镜直接镀在所述的调Q或锁模元件的输出端面上。
[0012]6.一种1.55 μ m波段可调谐固体激光器，其特征在于:在项2所述的激光器的增益介质和输出镜之间插入1.55 μ m波段的波长调谐元件。
[0013]7.一种1.55 μ m波段倍频激光器，其特征在于:在项2所述的激光器的增益介质和输出镜之间插入1.55 μ m波段的倍频晶体，激光谐振腔输出镜设计为在1.55 μ m波段处透过率小于0.5%，在倍频波段处透过率大于80%;或者将输出镜直接镀在所述的倍频晶体的输出端面上。
[0014]实施本发明技术方案具有的有益效果是:以(ErxYbyCezRe{1 x y z))2Si05晶体为增益介质，能获得高输出功率和高效率的连续以及高脉冲能量、高重复频率和窄脉宽的调Q脉冲1.55 μ m波段固体激光。
【具体实施方式】
[0015]实例1:976nm半导体激光端面栗浦Er:Yb:Ce:Gd2Si05晶体实现1.56 μπι固体激光输出。
[0016]利用提拉法生长(EraQQ35YbQ.Q7CeQ.3GdQ.6265) 2Si05激光晶体。该晶体有三个光学主轴，分别为X、Y、Z。利用偏光显微镜定向后，取XY切片，由于在栗浦光976nm处的吸收系数约为15cm \按照80%的吸收率切割厚度为1mm(端面积一般为平方毫米到平方厘米)的该晶体样品，端面抛光后固定在中间有通光孔的铜座上并置于激光腔中。激光腔输入镜在976nm波长处透过率T = 90 %，在1.56 μ m波长处透过率T = 0.1 % ;激光腔输出镜在1.56 μ m波长处透过率T = 3.5%。利用10W的976nm半导体激光端面栗浦即可得到输出斜率效率为20%、连续功率高于1.5W的1.56 μπι固体激光输出。或者将激光腔输入和输出镜分别直接镀在该激光晶体的两个端面上，以实现同样的目的。
[0017]实例2:976nm半导体激光端面栗浦Er: Yb: Ce: Gd2Si(^aB体实现1.56 μ m固体脉冲激光输出。
[0018]直接将1.56 μ m 波段的被动调 Q 片(如 Co2+:MgAl204，Co2+:ZnSe，Cr2+:ZnSe 等)或声光调Q模块插入实例1中激光晶体和输出镜之间，即可实现1.56 μπι调Q脉冲激光运转。或者将输出镜直接镀在被动调Q片或声光调Q模块的输出端面上，以实现同样的目的。
[0019]实例3:976nm半导体激光端面栗浦Er:Yb:Ce:Gd2Si05晶体实现 1550_1590nm可调谐固体激光输出。
[0020]将实例1中激光晶体样品固定在中间有通光孔的铜座上并置于激光腔中。激光腔输入镜在976nm波长处透过率T = 90%，在1.5?1.6 μπι透过率T = 0.1% ;激光腔输出镜在1.5?1.6 μ m透过率T = 1 %。将1.55 μ m波段的波长调谐元件(双折射滤光片、光栅或棱镜等)插入激光晶体和激光腔输出镜之间，利用976nm半导体激光端面栗浦即可实现1550-1590nm可调谐激光输出。
[0021 ] 实例4:976nm半导体激光端面栗浦Er: Yb: Ce: Gd2Si0maB体实现804nm倍频固体激光输出。
[0022]直接将倍频1608nm波长激光的非线性光学晶体(如KTP、LB0、β -ΒΒ0等)插入实例1中激光晶体和输出镜之间。在激光腔输入镜镀上976nm波长处透过率Τ = 90%,在1608和804nm波长处高反(T