具有共掺杂增益介质的光学泵浦固态激光器的制作方法

专利名称：具有共掺杂增益介质的光学泵浦固态激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括固态基质材料(host material )的增益介质 (gain medium)的固态激光器，该增益介质掺杂有稀土离子。
激光器是用于取代现今UHP灯(UHP:超高性能)作为投影系统光 源的良好候选物。虽然可获得红色激光二极管和蓝色激光二极管，但 是迄今缺乏绿色波长区的集成激光源阻碍了激光器在显示或照明应用 中的广泛使用。
背景技术：
现今所用的绿色波长区的激光源依靠通过红外激光源的二次谐波 发生(SHG)或上转换(upconversion)进行频率转换。
如在众所周知的染料激光器的情况下，对于从红外波长区的上转 换的可替代方案是对蓝色激光源的频率转换。随着用于蓝紫光区的GaN 基激光二极管的最新发展，这种方案对于全固态装置而言变得有吸引 力。
US 6， 816， 532 B2公开了 一种激光二极管激发的激光器设备，其中 增益介质掺杂有稀土离子，特别是掺杂有1103+-、 Sm3+-、 Eu3+-、 Dy3+-、 Er"-和TV+-离子。该固态增益介质由GaN基激光二极管泵浦。所公开 的激光器的激发和激光发射涉及稀土离子的各4f态之间的跃迁。由于 在这些跃迁时的吸收相对较弱，所以该装置的效率有限并且需要例如 在光纤激光器中那样的长相互作用长度。对于用GaN激光二极管作为 泵浦源而使1"1)3+-离子的上激光能级504的粒子数增加(populate)，需 要在488 mn或在380 mn向5。3能级以及向504能级连续关联(successive relation)的激发。还不能获得在泵浦波长488 nm和380 nm这两者 处的高效GaN激光二极管。

发明内容
本发明的目的是提供在可见波长区中发射的固态激光器，其能够 由GaN激光二极管进行高效的光学泵浦。
3该目的是通过根据权利要求1的固态激光器实现的。有利的实施 例是从属权利要求的主题或者在包括用于实施本发明的实施例的后续 说明中被描述。
所提出的固态激光器包括固态基质材料的增益介质，该增益介质
共掺杂有Ce3+-离子和另外的稀土材料的离子。所述基质材料被选择成 使得Ce"-离子的5d能带的下边缘在能量上高于另外的稀土材料的离 子的上激光发射态(upper lasing state)。
通过这种增益介质，所提出的全固态激光器能够用在例如400和 450 nm之间的波长范围中的GaN激光二极管有效地泵浦。该增益介质 经由Ce、离子的4f-5d跃迁来吸收泵浦激光的辐射。能量从Ce"-离子 的5d能带转移到另外的稀土离子的上激光发射态，该另外的稀土离子 然后通过上激光发射态和下激光发射态之间的跃迁而发射期望的激光 辐射。所发射的激光波长受另外的稀土离子的选择的影响并且还可能 受固态激光器的谐振器镜的光谱特性的影响。基质材料的适当选择是 很重要的，因为这种基质材料影响两种稀土离子的能级。
Ce3+-离子与另一三价稀土离子的有利组合是Ce3+-离子与Pr3+、 Sm3+、 Eu3+、 Dy"和Tm3+的组合以设计出在可见波长范围内发射的不同波 长的激光器。
在优选实施例中，所提出的固态激光器包括固态基质材料的增益 介质，其共掺杂有063+-离子1^3+-离子。在这种情况下，激光泵浦方案 涉及Ce3+的4f-5d跃迁、从Ce"的5d能带到TV+的A态的能量转移， 从Tb"的504态发生激光发射。该方案是很有吸引力，因为其将4f-5d 跃迁的高吸收和稀土 4f-4f激光器的已知激光特性组合。因此，高度 集成的高效激光器装置是可能的。TV+-离子对于提供绿色波长范围中 的光学泵浦固态激光器而言很有吸引力，因为其具有很好的孤立504态， 在许多基质中寿命较长。从这个5D4能级，大约543 mn的绿色发射是 很显著的。
。63+-离子的掺杂浓度(^优选地处于0. 01%wt到5%wt的范围内。 TV+-离子的浓度CTb优选地依赖于Ce3+-离子的浓度Cce根据CTb = k*CCe 来选择，其中k在0. 5和50之间变化。
由于Ce3+-离子的5f能带以及另外的稀土离子的激光发射态的能 量位置依赖于基质材料，所以这种基质材料的适当选择对于实现期望的激光作用是重要的。当利用能隙为至少6 eV的基质材料时，已经观 察到了很有利的激光器工作。这些基质材料还必须保证Ce"离子的5d 能带和例如TV+离子的5D4态之间的能量转移。用于所提出的固态激光 器的优选的基质材料是YhLuxAl5—yGay012 (x=l， 2， 3; y=l， 2， 3， 4， 5)， Y3—xCaxAl5—xSix012，Y3—xAlhSCxOL2，M203 (其中M=Sc， Y， Lu， Gd， La)，CaYA104 和M2SiOs(其中M=Y， Lu， Gd或这些的组合)。
在所提出的固态激光器中，Ce、离子充当感光剂(sensitizer) 并经由4f-5d跃迁来提供泵浦辐射的良好吸收，而另外的稀土离子充 当激光器激活离子。虽然在本领域中已知掺有Ce3+-离子的固态基质材 料由于很强的激发态吸收而不适合用于激光作用，但是本发明的发明 人惊奇地发现，通过共掺杂Ce、离子和另外的三价稀土离子并通过选 择适当的基质材料，能够以高效的方式实现激光作用。此外，通过组 合063+-离子和1"1)3+-离子，实现了全固态激光器，其能够用GaN基激光 二极管来有效地泵浦以在绿色波长范围中发射。这样的包括泵浦激光 器的全固态激光器系统能够以高度集成的方式进行制造并且特别适合 作为用于显示或照明应用中的投影系统的光源。
如本领域已知的，能够选择全固态激光器的光学设计。类似于本 领域已知的其他二极管泵浦的固态激光器，这样的激光器能够例如以 端泵浦杆(rod)的形式来建立。所提出的激光器也能够以平面波导激 光器的形式来设计，其中把共掺杂材料做成平面波导的形式，其几何 形状适于激光二极管的发射分布(emission profile)。在这种情况 下，激光二极管和共掺杂转换介质被优选地置于共用的冷却结构上， 这允许高度集成的装置。Ce、离子的高吸收还允许横向泵浦几何形状， 其中激光辐射以与泵浦辐射的方向垂直的方向出现。
参照下文中所描述的实施例，本发明的这些以及其他方面将会变 得明显并被阐明。


所提出的固态激光器和激光器系统将在下文中以示例方式结合附 图来描述而不限制由权利要求限定的保护范围。附图示出 图1所提出的激光器的优选实施例的激发方案； 图2所提出的激光器的端泵浦(end pumped )几何形状(geometry )的示例；以及
图3所提出的激光器的横向泵浦(transversally pumped)几何 形状的示例。
具体实施例方式
在以下实施例中，所提出的激光器的增益介质被共掺杂有Ce、和 Tb3+-离子。Ce-Tb-激光器用GaN基激光二极管来泵浦。图1示出这种 固态激光器的泵浦和激光发射方案。GaN基激光二极管的蓝色泵浦辐射 1经由Ce3+-离子的4f-5d跃迁被吸收。在用泵浦辐射l激发之后，在 Ce3+-离子的5d能带和Tb3+-离子的上激光发射态(力4态)之间发生能 量转移2，如图所示。通过从Tb、离子的这个、态跃迁到Tb、离子的 下态，开始大约543 nm的激光发射3。在这种激光器方案中，激光发 射3是很显著的。
图2示出了所提出的Ce-Tb-激光器的端泵浦几何形状的示例。由 GaN激光二极管4发射的泵浦辐射通过适当的光学元件5被会聚经过该 固态激光器的第一谐振器端镜7进入063+-1^3+共掺杂的增益材料6。用 于端泵浦的第一谐振器端镜7对于绿色波长区中的辐射是高反射的而 对于泵浦辐射波长是抗反射的。另一方面，第二谐振器端镜8对于泵 浦辐射波长是高反射的而对于由增益材料6发射的绿色波长是充分反 射的以便实现激光发射作用。另一方面，这个第二谐振器端镜8允许 在绿色波长区中的激光发射3的一部分耦合出去。
图3示出了所提出的固态激光器的设计的另一示例。在这个示例 中，横向泵浦的几何形状用于Ce-Tb-激光器。在这种情况下，Ce-Tb-激光器的增益介质6具有两个谐振器端镜10,所述两个谐振器端镜10 反射足够高部分的所生成的绿色辐射以维持激光作用。这两个谐振器 端镜10还用作激光辐射3的耦合输出镜。增益介质6被由并排的若干 GaN激光二极管组成的GaN二极管激光模块9横向泵浦以便实现增益介 质6的整个长度上的泵浦辐射1的发射，如图3所示。
虽然在附图和前面描述中详细说明和描述了本发明，但是这种说 明和描述被认为是说明性的或示例性的而非限制性的；本发明不限制 于所公开的实施例。还能够组合上面以及权利要求中描述的不同实施 例。通过研究附图、本公开和所附权利要求，本领域技术人员在实践
在权利要求中，文字"包括"不排i其他元件或步i:而不定冠词'"一 个，，或"一"不排除多个。在相互不同的从属权利要求中列举某些措 施的事实不表示不能使用这些措施的组合以获得有益效果。权利要求 中的任何附图标记不应当被解释成限制这些权利要求的范围。附图标记的列表 1泵浦辐射
2能量转移 3激光辐射
4 GaN激光二极管 5光学元件
6 Ce"-lV+共掺杂的增益材料 7第一谐振器端镜 8第二谐振器端镜
9 GaN二极管激光模块 10谐振器镜
权利要求
1.固态激光器，包括固态基质材料的增益介质(6)，所述增益介质共掺杂有Ce3+-离子和另外的稀土材料的离子，所述基质材料被选择成使得所述Ce3+-离子的5d能带的下边缘在能量上高于所述另外的稀土材料的离子的上激光发射态。
2. 根据权利要求1的固态激光器，其中所述另外的稀土材料的离 子是Tb、离子。
3. 根据权利要求2的固态激光器，其中所述基质材料被选择成使 得所述Ce、离子的5d能带的下边缘在能量上高于所述Tb"-离子的5D4 态并且使得所述基质材料的能隙> 6 e V 。
4. 根据权利要求1或2的固态激光器，其中所述基质材料选自下 列材料之一 Y3—xLu,Al5—yGay012(x=l，2，3;y=l，2，3，4，5)， Y3—xCaxAl5 xSix0u，Y3—XA15 JScH03(其中M=Sc， Y， Lu， Gd， La)，CaYA104 和M2Si05 (其中M=Y， Lu， Gd或这些的组合)。
5. 根据权利要求4的固态激光器，其中所述基质材料的Ce3+-离子 的掺杂浓度处于0. 01%重量到5%重量的范围中而丁1)3+-离子的掺杂浓 度是Ce3+-离子的掺杂浓度的0. 5倍到50倍之间。
6. 根据权利要求1的固态激光器，其中所述另外的稀土材料的离 子选自Pr3+_、 Sm3+-、 Eu"-、 Dy、和Tm3+1子。
7. 固态激光器系统，具有根据权利要求1的固态激光器和至少一 个GaN激光二极管(4)，所述GaN激光二极管被布置成对所述固态激 光器的增益介质(6)进行光学泵浦。
8. 固态激光器系统，具有根据权利要求4的固态激光器和至少一 个GaN激光二极管(4)，所述GaN激光二极管被布置成对所述固态激 光器的增益介质(6)进行光学泵浦。
全文摘要
本发明涉及一种固态激光器，其包括固态基质材料的增益介质(6)，所述增益介质共掺杂有Ce³⁺-离子和另外的稀土材料的离子。所述基质材料被选择成使得Ce³⁺-离子的5d能带的下边缘在能量上高于另外的稀土材料的离子的上激光发射态。这种激光器能够用波长区在400和450nm之间的GaN激光二极管(4)进行光学泵浦并且以可见波长范围发射激光辐射。特别是，利用这种激光器，能够实现在绿色波长区发射的GaN二极管激光泵浦的固态激光器。
文档编号H01S3/0941GK101529672SQ200780039625
公开日2009年9月9日 申请日期2007年10月15日 优先权日2006年10月24日
发明者P·J·施米特, U·韦克曼 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司