一种利用GaN基激光二极管泵浦稀土离子掺杂激光材料实现激光及其倍频激光的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光材料和固体激光技术领域，具体涉及一种利用GaN基激光二极管栗浦稀土离子掺杂激光材料实现激光及其倍频激光的方法。
【背景技术】
[0002]得益于全球LED照明革命的巨大推动，近年来GaN基激光二极管(简称LD)有了长足发展，商品化的GaN基LD功率已经达到瓦级，价格也已降到了百元左右/瓦，且还在继续下降，这为用GaN基LD直接栗浦激光晶体产生可见等波段的激光提供了新的可行途径，将引发半导体激光栗浦的可见激光晶体及其激光技术研究热潮，使全固态激光的研究和应用进入一个全新阶段。
[0003]GaN基LD的激光波段涵盖了370nm?530nm比较宽的波段，如日本NICHIA公司就已有涵盖了这一波段的多种波长规格的GaN基LD出售，这使得有多种稀土离子掺杂的激光晶体或激光透明陶瓷适合GaN基LD栗浦，获得可见等波段的激光。对于由此获得的可见波段激光，通过二倍频或三倍频后，可获得紫外、深紫外激光，与用三倍频或四倍频近红外激光来获得紫外、深紫外激光来说，预计效率上将会有提高，从而对紫外激光光源的发展将起到推动作用。
[0004]目前，已有GaN基LD获得可见激光的报道，以氟化物激光晶体中的研究最多，掺杂离子为Pr3+、Dy3+。早期实现Pr3+可见激光的研究主要集中在LiYF4、LiGdF4、KYF4、KY3F10、LiLuF4等具有低声子能量的氟化物晶体上。以氧化物Y3Al5O12(YAG) 'Lu3Al5O12(LuAG)、Gd3Ga5Oi2(GGG) ,Gd3Sc2Ga3Oi2(GSGG)、Y3Ga5O12(YGG),Gd3xY3(1-x)Sc2Ga3Oi2(0<x<I,GYSGG)、Gd3Sc2Al3Oi2(GSAG) ,Y3Sc2AI3Oi2(YSAG) ,Gd3xY3(1-x)Sc2Al30i2(0<x<l,GYSAG)、YVO4、GdVO4、Υι-xGdxV04(0〈x〈l)、YA103(YAP)、LaA103、Gd2Si05(GS0)、Y2Si05(YS0)、Sc2Si05、Lu2Si05、Lu2(1-χ)Y2xSi05(0〈x〈l)作为基质的激光晶体或陶瓷，在制备技术、激光性能、光学、机械及力学特性方面已有广泛的研究，已经属于很成熟的激光材料。但目前，在GaN基LD栗浦的全固态激光方面，在这些晶体中仅有如下相关报道:Pr3+: YAP、Pr3+: LuAlO3以3H4^3P2作为栗浦通道、3P0—3F4作为激光通道获得红激光，Dy3+ = YAG以6H15/2—4G11/2作为栗浦通道、4F9/2—6F13/2作为激光通道获得橙色激光，其余的以GaN基LD作为栗浦源的栗浦通道、激光通道还未见报道。而且由于氟化物的化学稳定性和机械强度较差，单晶生长原料、单晶生长制备条件要求苛刻，生长大尺寸单晶困难，这些都给它们的广泛应用形成了很大障碍。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题在于提供一种利用GaN基激光二极管栗浦稀土离子掺杂激光材料实现可见激光及其倍频紫外激光的方法，该方法克服了氟化物的化学稳定性和机械强度较差，单晶生长原料、单晶生长制备条件要求苛刻，生长大尺寸单晶困难等问题。相对于采用近红外激光倍频获得紫外激光的方法，本发明提高了倍频紫外激光的效率。
[0006]本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现:
[0007]一种利用GaN基激光二极管栗浦稀土离子掺杂激光材料实现激光及其倍频激光的方法，它包括:
[0008](I)于激光材料基质中掺杂稀土离子，继而成为激光晶体或激光透明陶瓷；
[0009](2)针对不同的激光晶体或激光透明陶瓷，根据稀土掺杂离子的激光栗浦通道的吸收波长，来选择工作波长和其相匹配的GaN基激光二极管作为栗浦源。；
[0010](3)对掺杂稀土离子的激光晶体或激光透明陶瓷进行栗浦，继而可实现可见光激光输出。
[0011]进一步，所述激光材料基质包括Y3Al5012、Lu3Al5012、Gd3Ga5012Xd3Sc2Ga3O12、Y3Ga50i2、Gd3xY3(1-x)Sc2Ga30i2、Gd3Sc2Al30i2、Y3Sc2Al30i2、Gd3xY3(1-x)Sc2Al30i2、YVO4、GdVCU、Υι-xGdxV04、YA103、LaA103、Gd2Si05、Y2Si05、Sc2Si05、Lu2Si05、Lu2(1—x)Y2xSi05;且所述的上述基质记为HOST，其中HOST代表激光材料基质中的任何一种，上述的Gd3xY3(1—x)Ga5012、Gd3xY3(1—x)Sc2Al5O12J1-xGdxV04、Lu2Si0dPLu2(1—x)Y2xSi05 中的 χ取值范围为0〈χ〈1。
[0012]进一步，所述稀土掺杂离子为Pr3+、Sm3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+中之一，且掺杂离子用于取代基质中的Gd、Lu、La、Y所占的格位，从而分别构成激光材料为Pr3+: HOST、Sm3+:HOST、Tb3+: HOST、Dy3+: HOST、Ho3+: HOST、Er3+: HOST、Tm3+: HOST。
[0013]进一步，所述的激光材料Pr3+:HOST，通过采用Pr3+的3H4—2S’+1L’j，，即2S’+1L’j，=1I6^Ph3Po多重态吸收跃迀作为栗浦通道，将掺杂离子的电子直接激发到3Po，或激发到比3Po更高1I^3P1激发态，再通过无辐射跃迀或其他过程，电子弛豫或跃迀到3Po激光上能级，实现3?0与其下能级25+114，即25+11^ = 3!14、3抱、3!16、￥2、￥3、￥4、1G4'1D2之间的粒子数反转，通过受激辐射跃迀3Pe2S+1Lj获得激光输出，其中以3PQ43F2、3P(^3F4、3P(^3H4之间的光跃迀较容易获得可见激光；
[0014]所述的激光材料31113+:!1031'，采用31113+的6!15/2425’+11^’，即^+Vr=4M15A4IS1V2、6H5/2—4I313/2多重态吸收跃迀作为栗浦通道，将掺杂离子的电子直激发到这些比激光上能级4G5/2更高的激发态上，再通过无辐射跃迀或其他过程，弛豫或跃迀到激光上能级4G5/2，实现 4G5/2与下能级2S+1Lj 即 2S+1Lj = 6Ηδ/2、6Ηγ/2、6Hg/2、6Hll/2、6Hl3/2、6Fl/2、6Hl5/2、6F3/2、6F5/2、6F7/2之间的粒子数反转，通过受激辐射获得4G5/242S+1Lj跃迀的激光输出，其中以4G5/2—6H9/2、6h11/2、6h13/2、6f5/2之间的光跃迀通道较相对容易获得激光；
[0015]所述的激光材料Tb3+:HOST，采用Tb3+的7F6—5D4多重态吸收跃迀作为栗浦通道，将掺杂离子的电子直激发到比激光上能级5D4,实现5D4与非基态的7F6晶场分裂能级I7F6 Γ γ>之间的粒子数反转，得到5D4与非基态|7F6r γ>之间跃迀的激光输出，该激光能级系统为典型的激光三能级系统；
[0016]所述的激光材料Dy3+:HOST，采用Dy3+的6H15/2—2S’+1L，j’，即 2S’ +1L ’r =4I315/2、4G4ll/2、4M21/2、4F37/2、4I3l3/2、4Kll7/2、4Ml9/2+多重态吸收跃迀作为栗浦通道，将掺杂离子的电子直激发到这些比激光上能级4F39/2能量更高的激发态，然后通过非辐射弛豫过程弛豫、或通过其他过程跃迀到4F39/2，实现4F9与下能级2S+1Lj即2S+1Lj = 6H15/2、6H13/2、6Hn/2、6H9/2、6FllZ2、6F9/2、6H7/2、6H5/2、6F7/2、^5/2、4F3Z2、屮1/2之间的粒子数反转，通过增益放大获得^9/242S+1Lj跃迀的激光输出，4F9/2—6H13/2、6H11/2之间的跃迀通道相对容易实现激光输出，对于Dy3+: YAG，不包括使用6H15/2—4G11/2跃迀栗浦、4F9/2—6H13/2受激发射而获得激光的通道；
[0017]所述的激光材料Ho3+:H0ST，采用Ho3+的5I842S’+1L’r，SP2S’+1L’j，=5F3、5F2、3K8、5G6、5G5跃迀吸收通道，将掺杂离子的电子直激发到比激光上能级5S2以上的激发态，然后通过非辐射弛豫过程弛豫、或通过其他过程跃迀到5S2激光上能级，实现532与下能级2S+1Lj，即2S+1Lj = 5I8、5I7、5I6、5I5、5I4、5F5之间的粒子数反转，通过增益放大获得5SP25+1Lj跃迀的激光输出。在这些激光发射通道中，5&—517、5I6、5l4相对容易实现激光输出；
[0018]所述的激光材料Er3+:H0ST，采用Er3+的4I15/242S’+1L’J’，即 2S’+1L’j，=2H211/2、4F7/2、4f5/2、4f3/2、4f9/2，将掺杂离子的电子直激发到这些比激光上能级4Sv2能量更高的激发态，然后通过非辐射弛豫过程弛豫或其他过程跃迀到4Sv2激光上能级，实现4Sv2与下能级2S+工^即?^二^^^工助^丨的^奶^奶之间的粒子数反转’通过增益放大获得^—25+1Lj跃迀的激光输出。在这些激光发射通道中，4S3/2—4I15/2、4I9/2相对容易实现激光输出；
[0019]所述的激光材料Tm3+:HOST，采用Tm3+的3H6^1G4吸收跃迀，将掺杂离子的电子直激发到激光上能级1G4，实现1G4与下能级2S+1Lj，即2S+1Lj = 3H6、3F4、3H5、3H4、3F3、3F2之间的粒子数反转，通过增益放大获得5S2—2S+1Lj跃迀的激光输出。在这些激光发射通道中，1G4^3Hh3H4相对容易实现激光输出。
[0020]进一步，由于受到激光材料基质所提供的晶体场的作用，稀土掺杂离子的多重态2S+1Lj、2S’+1L’r在激光晶体或激光透明陶瓷中，在自由离子状态下的简并能级将分裂为多个晶场能级，2S+1Lj—2S’+1L’r表示的是2S+1Lj分裂出的晶场能级至2S’+1L’j，分裂出的晶场能级之间所有可能光跃迀。
[0021 ] 进一步，所述GaN基激光二极管的激光波长范围为370nm?530nm。
[0022]本发明还涉及一种GaN基激光二极管栗浦固体激光方法，采用上述的技术方法获得位于可见波段的基频激光后，再采用非线性晶体，用通用的激光技术来对基频激光进行频率变换，获得位于紫外或深紫外短波长的激光。
[0023]进一步，所述非线性晶体为p-BaB204、LiB305、CsLiB60i()、BiB303、KBBF、KTi0P04。
[0024]已有技术相比，本发明的有益效果体现在:
[0025]本发明中使用的氧化物与氟化物相比，具有更好的化学稳定性和机械强度，相对容易制备优质大尺寸晶体或陶瓷，更有利于研发制造高性价比高的激光器件，因而更利于工业、科研、医疗等领域的广泛应用推广；还给出了以氧化物晶体或透明陶瓷作为激光材料，以新的吸收栗浦通道和激光通道，采用GaN基激光二极管栗浦获得可见、近红外等波段激光，由此获得的可见激光可通过二倍频、三倍频而获得紫外、深紫外激光，对于发展新波段紫外激光、提高紫外固体激光的效率、功率等具有重要意义。
【附图说明】
[0026]图1为本发明实施列中Er3+= YSGG单晶结构图；
[0027]图2为本发明实施列中Er3+= YSGG晶体的吸收光谱图。、
【具体实施方式】
[0028]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
[0029]—种利用GaN基激光二极管栗浦稀土离子掺杂激光材料实现激光及其倍频激光的方法，它包括，
[0030](I)于激光材料Gd3xY3(1—x)Ga5012(0〈x〈l，GYSGG)中掺杂稀土掺杂离子Er3+，继而成为激光晶体Er3+: YSGG (如图1);
[0031 ] (2)针对该激光晶体Er3+: YSGG，取该激