专利名称：激光振荡方法和激光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光振荡方法和一种激光装置，尤其是涉及适于用在制造一种由抽运光(pumping light)抽运的激光介质以形成激光振荡的激光振荡方法和激光装置。
可是，Nd；GdVO4晶体的制造是困难的，NdGdVO4晶体的生长目前仅仅在一种研究的水平上进行，并很少用于商业方面的生产。
另一方面，需指出已经生产和销售的NdGdVO4晶体以钕原子数比例为1％或更少的掺杂浓度掺杂，也就是说，钕掺杂浓度比较低。另外，这不能保证足够的光学特性。
由于这个原因，当比较掺钕的钇铝石榴石(在下文相应称为‘NdYAG’)晶体和掺钕的钇钒(在下文相应称为‘NdYVO4’)晶体时，它们具有与NdGdVO4晶体同样的激光振荡波长区域，而且目前与固态激光介质同样占据着市场的主要部分，NdGdVO4晶体既不能完全利用其全部优点，也没有在市场占据主要地位。
而且，因为在制造NdGdVO4晶体时，目前掺入按原子数比例超过1％的高浓度的作为激光激活离子的钕是困难的，所以，在除了808nm波长的波长带，由抽运光抽运的激光振荡直到现在还没有投入实际使用，其中波长带是NdGdVO4晶体的主要吸收带。
换句话说，既然目前在市场上销售的NdGdVO4晶体钕的掺杂浓度是低的，整体上具有低的抽运光吸收等级，故很难在除了其主要吸收波段即808nm波长之外的波长带被抽运。因此，即使它被抽运形成激光振荡，其效率由于小的可吸收能量而降低，同时也不能获得有效的输出能量。
由于这个原因，下面提出强烈的期望是一种作为激光介质的NdGdVO4晶体的制造方法，其中钕以原子数比例超过1％的高浓度掺杂到该晶体中；一种使用NdGdVO4晶体的激光振荡方法，其中钕作为激光介质以原子数比例超过1％的高浓度掺杂到该晶体中；以及一种激光装置，该装置使用NdGdVO4晶体，其中钕作为激光介质以原子数比例超过1％的高掺杂浓度掺杂到该晶体中。
因此，需要说明的是，在本说明书中，作为激光激活离子的钕以原子数比例超过1％的高浓度掺杂的NdGdVO4晶体仅仅是指一种‘高浓度的掺钕GdVO4晶体’或一种‘高浓度的NdGdVO4晶体’。
另外，由于前述同样的背景，下面提出强烈的期望是一种作为激光介质的单晶体的制造方法，其中作为激光激活离子的铥、钬、铒或铬离子以高浓度掺杂，如掺铥钇钒酸盐(TmYVO4)和掺铥钆钒酸盐晶体(TMGdVO4)；一种使用单晶体作为激光介质的激光器振荡方法；和一种使用单晶体作为激光介质的的激光装置。
为了实现上述目的，根据本发明用抽运光抽运激光介质以实现激光振荡的激光振荡方法，是利用由钆钒酸盐晶体组成的激光介质，在所述晶体中用浮区法按原子数比例为2％到15％的浓度掺入作为激光激活离子的钕。
另外，本发明是用抽运光抽运激光介质实现激光振荡的激光振荡方法，其中抽运光以不同于主要吸收波段的波长带激励包含用浮区法制成以预定浓度掺杂激光激活离子的晶体的激光介质以实现激光振荡。
进一步，本发明是用抽运光抽运激光介质，以实现激光振荡的激光振荡方法，其中抽运光以不同于主要吸收波段808nm的波长带激励包含作为激光激活离子的钕以原子数比例大于1％的浓度掺杂的钆钒酸盐晶体的激光介质而实现激光振荡。
而且，本发明是用抽运光抽运激光介质，以实现激光振荡的激光振荡方法，其中抽运光以不同于主要吸收波段808nm的波长带激励包含作为激光激活离子的钕以原子数比例为2％到15％的浓度掺杂的钆钒酸盐晶体的激光介质，而实现激光振荡。
进一步，本发明是一种激光振荡方法，其中880nm波长带的抽运光作为抽运光使用，该波长带不同于808nm的主要吸收波段。
应注意提供接近880nm的抽运光使得钕离子从基态激发到钕离子的4F3/2线。
此外，本发明涉及一种激光介质设置在谐振器中的激光装置，抽运光入射到激光介质中，在谐振器中的产生激光振荡，并使激光光束从谐振器中射出，其中所述激光介质是包含用浮区法制成并以预定掺杂浓度掺杂激光激活离子的晶体。
再进一步，本发明涉及一种激光介质设置在谐振器中的激光装置，抽运光入射到激光介质中，在谐振器中的产生激光振荡，并使激光光束从谐振器中射出，所述激光介质是钆钒酸盐晶体，其中作为激光激活离子的钕以原子数比例大于1％的浓度掺杂。
另外，本发明涉及一种激光装置，其中钕以原子数比例为2％到15％的掺杂浓度掺杂到激光介质中。
进一步，本发明涉及一种激光装置，其中使用波长带不同于主要吸收波段808nm波长带的抽运光激励激光介质实现激光振荡。
进一步，本发明涉及一种激光装置，其中使用波长带不同于主要吸收波段808nm的波长带880nm的抽运光激励激光介质实现激光振荡。
更进一步，本发明涉及一种激光装置，其中射入由半导体激光器抽运的抽运光。
附图2是本申请的发明人所得出的实验结果的曲线图，该曲线图显示了根据本发明关于高浓度掺钕的钆钒酸盐晶体吸收光谱的测量结果，其中掺钕的钆钒酸盐晶体中钕的浓度为2％，5％和10％，也就是具有钕原子数比例为2％，5％和10％的三种晶体。注意到横坐标轴表示以‘nm’为单位的波长，同时纵坐标轴表示以‘cm-1’为单位的一种吸收系数。
附图3是显示了发明人得出的实验结果的曲线图，其显示了钕以原子数比例为5％的掺杂浓度所掺杂的高浓度掺钕的钆钒酸盐晶体被用作如附图4所示的激光装置中高浓度掺钕的钆钒酸盐晶体的输入/输出特性。注意到横坐标轴表示以‘W’为单位的吸收功率，纵坐标轴表示以‘W’为单位的输出功率。
附图4是说明本发明观点的构造示意图，其示出了在激光装置中进行脉冲振荡工作的激光装置，所述激光装置使用了高浓度掺钕的钆钒酸盐晶体作为激光介质；和附图5是说明本发明观点的构造示意图，其示出了在激光装置中进行CW(连续波)振荡工作的激光装置，所述激光装置使用了高浓度掺钕的钆钒酸盐晶体作为激光介质。
首先，附
图1表示浮区法的示意图(在本说明书中称为‘FZ方法’)，即根据本发明实施例制造激光介质的方法。
特别地，在本发明中，用称为FZ法的方法制造激光介质如高浓度掺杂钕的钆钒酸盐晶体(GdVO4)或TmYVO4和TMGdVO4，该介质是一种具有作为激光激活离子的铥、钬、铒或铬离子按预定浓度掺杂的单晶体。
在此，FZ法是一种方法，其中来自卤灯14的红外光作为红外光源聚焦在一种在高温和高压下烧结而成的材料棒12上并使其融化，一浮动区16形成于籽晶和材料棒12之间，从而通过在炉子10中沿一个方向移动浮动区16形成晶体。
因此，当制造高浓度掺钕的钆钒酸盐晶体时，首先准备材料棒12，它是通过在高温和高压下将钕、钆和钒烧结而成。接着，来自于卤灯14的红外光聚焦在材料棒12上并融化材料棒，浮动区16形成于籽晶和材料棒12之间，高浓度的掺钕钆钒酸盐晶体通过沿一个方向移动浮动区16而形成。
按照浮区法，会获得高浓度的掺钕钆钒酸盐晶体，其中作为激光激活离子的钕以原子数比例超过1％的掺杂浓度掺杂，又如，可获得高浓度的掺钕钆钒酸盐晶体，其中作为激光激活离子钕以原子数比例为2％到15％的掺杂浓度掺杂。
注意到上述的浓度能够通过将预定浓度的钕烧结到材料棒12而被控制为任意的浓度。
另外，根据FZ法，能制造成直径为3mm和长度为50mm的高浓度的掺钕钆钒酸盐晶体。
一具有1.5kW输出的卤灯可用用来发射红外光到材料棒上的卤灯14。
另外，一种单晶控制方法，如Czochralskd方法(在本说明书中也称作‘Cz方法’)，目前已经用来制造掺钕的钆钒酸盐晶体。
可是，因为掺钕的钆钒酸盐晶体有一个特性，在钒酸盐作为材料时其熔点大约为1700℃，所以熔炉和生长气氛就受到限制，并很难制出高浓度掺入钕和高质量的晶体。
由于这个原因，在通常的低浓度的掺钕钆钒酸盐晶体中钕以原子数比例为1％或更少的浓度掺杂，在吸收系数的峰值处激光振荡仅仅能在808nm的主要吸收波段处时才能实现。相应地，为了能用作为激光介质的钕以原子数比例为1％或更少的浓度掺杂到低含量的掺钕的钆钒酸盐晶体实现激光振荡，将来自激光二极管的具有808nm振荡波长的抽运光抽运激光器是必要的，所述抽运光需要调整到808nm波长带的主要吸收波段。
另一方面，因为根据本发明的FZ法既没有对熔炉也没有对生长气氛的限制，所以解决了作为传统问题的对熔炉和生长气氛的限制，同时高浓度的晶体生长和高质量的产品就成为可能。
因此，尽管高浓度的掺钕钆钒酸盐晶体有主要的吸收波段，该波段在808nm波长带时具有吸收系数的最大峰值，它也有其它具有吸收系数峰值的吸收波段，其激光振荡能在此波段附近实现，因此，在由根据本发明制造的高浓度的掺钕钆钒酸盐晶体中，甚至在将抽运光波长转为不同于主要吸收波段的吸收波长时激光振荡也可能发生。
附带的，一种大于入射光波长和出射光波长之间比(量子转换效率)的输出光不能在激光器中获得。
当按照本发明制成的高浓度的掺钕钆钒酸盐晶体被用作激光介质时，能从许多吸收波段中甚至相同波长的振荡光的情况中选出一种量子转换效率能够取得最大的抽运光波长，同时能够进行高效的振荡。
在此，图2示出了按照FZ法制造的关于高浓度掺钕的钆钒酸盐晶体吸收光谱的测量结果，其中掺钕的钆钒酸盐晶体中钕的浓度为2％，5％和10％，也就是说钕所占的原子数比例为2％，5％和10％的三种晶体。注意到在图2中横坐标轴表示以‘nm’为单位的波长，同时纵坐标轴表示以‘cm-1’为单位的一种吸收系数。
从附图2中可以很清楚地了解到，抽运光吸收量随钕掺杂浓度的增高而急剧地增加。例如，对于钕掺杂浓度为5％的高浓度的掺钕钆钒酸盐晶体，在808nm波段的吸收系数为100cm-1或更大。
进一步，如附图2中所示，在高浓度的掺钕钆钒酸盐晶体中，在750nm波长附近吸收波段具有峰值和在880nm波长附近吸收波段具有峰值作为吸收波段，在此能能够实现激光振荡，此吸收波段不同于由激光极管抽运的通常主要吸收波段为808nm波长的吸收波段。
当注意到用于在880nm波长附近具有峰值的吸收波段的费用时，在880nm波长的吸收波段的抽运期间量子的转换效率为0.83(880/1060＝0.83)，相对于808nm波长的吸收波段的抽运时量子的转换效率0.75(808/1060＝0.75)大约增加了10％，从而阻止了由于输入热能量损失的转变所引起的输出功率的减少。
附图3显示了具有钕浓度的高浓度的掺钕钆钒酸盐晶体的实验结果，也就是说，钕以原子数比例为5％的掺杂浓度掺杂用于如附图4所示的本发明的激光装置中。注意到横坐标轴表示以‘W’为单位的吸收功率，纵坐标轴表示以‘W’为单位的输出功率。
接下来，将说明包含高浓度掺钕的钆钒酸盐晶体的激光装置，其中作为激光介质的激光激活离子的钕以原子数比例超过1％的掺杂浓度掺杂，如高浓度的掺钕钆钒酸盐晶体中钕元素以原子数比例为2％，5％和10％的掺杂浓度掺杂。
首先，附图4显示了在激光装置中进行脉冲振荡工作的激光装置，所述激光装置使用了高浓度掺钕的钆钒酸盐晶体作为激光介质。
如图4中所示的激光装置100包含作为激光介质的高浓度的掺钕钆钒酸盐晶体102，一用来发射抽运光的钛蓝宝石激光器104，全反射镜(106，108)，一聚光透镜110和一输出镜112。
在此，钛蓝宝石激光器104是一种抽运激光器，其作为一种抽运光源发射引起脉冲振荡工作的抽运光，该钛蓝宝石激光器可发射880nm波长的抽运光，具有平均40mw的最达输出功率和有1kHz重复频率的80ns脉冲宽度。
另外，高浓度的掺钕钆钒酸盐晶体102被切割成规格为5mm(长)×5mm(宽)×1mm(深)的形状，面对钛蓝宝石激光器104的第一表面102a被镀膜，以使具有1063nm波长的全部反射，并使其不反射880nm波长的光，同时，面对输出镜112的第二表面102b被镀膜，使其不反射1063nm波长的光。
而且，在输出镜112中，面对高浓度掺钕的钆钒酸盐晶体102的表面形成具有曲率半径为50mm的凹面112a，同时另一表面形成平面112b。另外，凹面112a被镀膜，使其对1064nm波长光的反射率达到90％，进而构成凹面镜。在平坦表面112b上不设有镀层。
注意到，由熔凝石英玻璃构成聚光透镜110，它被设置为其聚焦长度为100mm。
因此，在激光装置100中，第一表面102a和凹面112a构成谐振腔，同时高浓度的掺钕钆钒酸盐晶体102作为激光介质设置在谐振腔内。谐振腔的长度设置为3cm。
在上述结构中，当从钛蓝宝石激光器104发射的抽运光经由全反射镜(106，108)入射到聚焦透镜110中，聚焦透镜110聚焦抽运光使得抽运光入射到高浓度的掺钕钆钒酸盐晶体102中。
按此方法，在谐振腔内产生激光振荡并且激光束从输出镜112的平面112b出射。
如上所述，附图3为示出了本申请发明人实验结果的曲线图，其显示了钕以原子数比例为5％的浓度掺杂的高浓度掺钕的钆钒酸盐晶体被用作如附图4所示的激光装置100中的高浓度掺钕的钆钒酸盐晶体102的输入输出特性。
接着，附图5示出了在激光装置中进行CW(连续波)振荡工作的激光装置，所述激光装置使用了高浓度掺钕的钆钒酸盐晶体作为激光介质。附图5中所示的激光装置是用半导体激光器(LD)抽运的固态激光装置。
在附图5所示的激光装置的结构与附图4中所用相同结构的部件采用相同的标号，或与附图4中激光装置100中的标号对应，为此将省略其结构部件及工作过程的说明。
附图5中所示的激光装置200包含作为激光介质的高浓度掺钕的钆钒酸盐晶体102，作为抽运光源的激光二极管202用来产生抽运光光束，一散热装置204用来加热激光二极管202，一个具有渐变折射率的透镜206将光束聚焦为抽运光，该光束由激光二极管202发出到达并入射到高浓度掺钕的钆钒酸盐晶体202和一个输出镜208。
在此，激光二极管202为一200μm的单条状GaAs/GaAlAs激光二极管，在25℃时其发射光波长为880nm和最大输出功率为2W。
另外，散热装置204是由水冷式的铜块组成。
而且，在输出镜208中，与高浓度掺钕的钆钒酸盐晶体102相对的表面形成具有曲率半径为750毫米的凹面208a，同时另一表面形成平面208b。进一步，凹面208a被镀层使其对1064nm波长光的反射率达到95％，并构成凹面镜。在平面208b上不设有镀层。
注意到具有渐变折射率的透镜206的直径为1.8mm。
为此在激光装置200中，第一表面102a和凹面208a构成谐振腔，同时高浓度掺钕的钆钒酸盐晶体102作为激光介质设置在谐振腔内。谐振腔的长度设置为3cm。
更进一步，在激光装置200中抽运的半导体激光器是端部抽运，在此抽运光沿与谐振腔中通过激光振荡往复移动的光的光轴相匹配的方向入射到作为激光介质的高浓度掺钕的钆钒酸盐晶体102中。
在上述描述的结构中，当从激光二极管202中发出的作为抽运光的光束入射到具有渐变折射率的透镜206上时，具有渐变折射率的透镜206将光束聚焦并入射到高浓度掺钕的钆钒酸盐晶体102中。
按此方法，在谐振腔中产生激光振荡并从输出镜208的平面208b输出激光光束。
如上描述的，通过使用将钕以原子数比例超过1％的掺杂浓度掺杂的NdGdVO4晶体，使在波长带不同于主要吸收波段808nm的吸收波段抽运而产生激光振荡成为可能。
特别地，由于钕的高浓度掺杂显著地增加了NdGdVO4晶体的吸收系数，使得在一具有低吸收系数的波长区抽运成为可能，而这对于现有技术所制造的低钕掺杂浓度的NdGdVO4晶体是很难实现的。
进一步，通过在波长带中选择不同于使用将钕以原子数比例超过1％的掺杂浓度掺杂的NdGdVO4晶体的主要吸收波段808nm的吸收波段进行抽运，对比于在主要吸收波段808nm的波长带选择抽运，使得量子转换效率提高成为可能，并因此而获得高效的激光振荡。
而且，由于通过在波长带中选择不同于使用将钕以掺杂浓度原子数比例超过1％的掺杂浓度掺杂的NdGdVO4晶体的主要吸收波段808nm的吸收波段能够进行抽运，尽管抽运光源目前对于具有主要吸收波段808nm的振荡波长的激光二极管还是受限的，但选择抽运光源的条件还是被放宽了。
注意到上述实施例可由以下(1)至(4)段文字所说明的予以修改。(1)在上述实施例中，详细描述了钕以原子数比例为2％，5％或10％的掺杂浓度掺杂到钆钒酸盐晶体的情况，自然地本发明并不局限于这种情况，钆钒酸盐晶体中钕掺杂浓度可以是高浓度，如按原子数比例超过1％的掺杂浓度，优选为2％或更高的掺杂浓度，更优选的为5％或更高的掺杂浓度，进一步优选的为2％至15％的掺杂浓度。(2)在上述实施例中，通过端部抽运进行半导体激光器抽运，自然地本发明并不局限于这种情况。通过侧部抽运可以实现激光器二极管的抽运，在此抽运光以近似垂直于激光振荡中谐振腔内往复移动的光的光轴方向入射到激光介质中。(3)在上述实施例中，已经说明了作为激光介质的高浓度的掺钕钆钒酸盐晶体，自然地能应用于本发明地激光介质并不局限于此。例如，本发明可以应用单晶体，如铥、钬、铒或铬原子作为激光激活离子进行高浓度掺杂形成的激光介质，像TmYVO4和TMGdVO4。优选地在某一时机控制其烧结体的浓度。(4)上述实施例和上述(1)至(3)段中所描述的例子可以适当的结合使用。
根据上述本发明的结构，得出极好的效果，就是使用由激光激活离子按预定浓度掺杂的晶体所组成的激光介质的激光振荡方法和激光装置。
可以理解本发明由本领域的普通技术人员在不脱离本发明的构思和实质特征的条件下作出其他特殊形式的体现。
为此现在公开的实施例从各方面考虑仅是说明性的而不是限制性的。发明的范围由附加的权利要求表示，而不是前面说明书所描述的，包含在其等效含义和范围内的所有改变都将包括在其中。
2002年2月1日公开的第2002-26066号日本专利申请中包括说明书，权利要求，附图和摘要的整个公开文本在这里整体引入作为参考。
权利要求
1.一种以抽运光抽运激光介质产生激光振荡的激光振荡方法，其特征在于所述方法利用由钆钒酸盐晶体组成的激光介质，在所述晶体中用浮区法将作为激光激活离子的钕以原子数比例为2％至15％的浓度掺杂。
2.一种以抽运光抽运激光介质产生激光振荡的激光振荡方法，其特征在于抽运光以不同于主要吸收波段的波长带进行抽运，使激光介质进行激光振荡，所述激光介质包含用浮区法制成的激光激活离子按预定浓度掺杂的晶体。
3.一种以抽运光抽运激光介质产生激光振荡的激光振荡方法，其特征在于抽运光以不同于主要吸收波段808nm的波长带抽运，使激光介质进行激光振荡，所述激光介质包含作为激光激活离子的钕以原子数比例大于1％的掺杂浓度掺杂的钆钒酸盐晶体。
4.一种以抽运光抽运激光介质产生激光振荡的激光振荡方法，其特征在于抽运光以不同于主要吸收波段808nm的波长带进行抽运，使激光介质进行激光振荡，所述激光介质包含作为激光激活离子的钕以原子数比例为2％到15％的掺杂浓度掺杂的钆钒酸盐晶体。
5.一种如权利要求3所述的激光振荡方法，其特征在于波长带不同于主要吸收波段808nm的波长带的抽运光，其为880nm波长带的抽运光。
6.一种如权利要求4所述的激光振荡方法，其特征在于波长带不同于主要吸收波段808nm的波长带的抽运光为880nm波长带的抽运光。
7.一种谐振腔中设置激光介质的激光装置，抽运光入射到所述谐振腔中的激光介质中以产生激光振荡，并且激光束从所述谐振腔中出射，其特征在于所述激光介质是包含用浮区法制成的，激光激活离子按预定浓度掺杂的晶体。
8.一种谐振腔中设置激光介质的激光装置，抽运光入射到所述谐振腔中的激光介质中以产生激光振荡，并且激光束从听述谐振腔中出射，其特征在于所述激光介质是一种将钕作为激光激活离子以原子数比例超过1％的掺杂浓度掺杂的钆钒酸盐晶体。
9.一种如权利要求8所述的激光装置，其特征在于所述激光介质是将钕以原子数比例为2％至15％掺杂浓度掺杂的。
10.一种如权利要求8所述的激光装置，其特征在于用波长带不同于主要吸收波段808nm的波长带的抽运光抽运所述激光介质产生激光振荡。
11.一种如权利要求9所述的激光装置，其特征在于用波长带不同于主要吸收波段808nm的波长带的抽运光抽运所述激光介质产生激光振荡。
12.一种如权利要求10所述的激光装置，其特征在于所述的抽运光在波长带不同于主要吸收波段808nm的波长带中是880nm波长带的抽运光。
13.一种如权利要求11所述的激光装置，其特征在于所述的抽运光在波长带不同于主要吸收波段808nm的波长带中是880nm波长带的抽运光。
14.一种如权利要求7所述的激光装置，其特征在于所述抽运光是由半导体激光器抽运入射的。
15.一种如权利要求8所述的激光装置，其特征在于所述抽运光是由半导体激光器抽运入射的。
16.一种如权利要求9所述的激光装置，其特征在于所述抽运光是由半导体激光器抽运入射的。
17.一种如权利要求10所述的激光装置，其特征在于所述抽运光是由半导体激光器抽运入射的。
18.一种如权利要求11所述的激光装置，其特征在于所述抽运光是由半导体激光器抽运入射的。
19.一种如权利要求12所述的激光装置，其特征在于所述抽运光是由半导体激光器抽运入射的。
20.一种如权利要求13所述的激光装置，其特征在于所述抽运光是由半导体激光器抽运入射的。
全文摘要
为了提供一种激光振荡方法和激光装置，其使用一种如将钕以原子数比例超过1％高掺杂浓度掺杂的NdGdVO
文档编号H01S3/093GK1435925SQ0214729
公开日2003年8月13日 申请日期2002年9月10日 优先权日2002年2月1日
发明者和田智之, 小川贵代, 田代英夫, 町田博, 樋口干雄, 小平纮平, 庄内智博 申请人:Nec东金株式会社, 株式会社美加奥普托