专利名称：中红外宽谱可调谐激光增益介质构建的激光输出实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及全固态激光器领域，尤其涉及一种基于中红外宽谱可调谐激光增益介质双掺杂二价铬与钴离子IIVI晶体构建的激光输出实验装置。
背景技术：
随着各种光学测试技术的发展，对于用途广泛、价格低廉的中红外激光器的需求正日益增加。中红外激光器的波长可以覆盖“分子指纹区”，它有着广泛的用途，包括大气遥感测试、非伤害性医学诊断、激光雷达、石油勘探以及各种诸如目标标定、故障排除和红外线对抗等军事应用。可以实现中红外波段激光输出的激光器主要有C02气体激光器，其输出波长10 12 μ m、铅盐异质节激光器其输出波长3 30 μ m、量子级联半导体激光器其输出波长大于或等于3. 7 μ m，或者通过相对复杂的非线性光学转换技术来实现中红外波段激光输出的光源，如差频振荡激光器(DFG)、光参量振荡激光器(OPO)等。但是以上的中红外激光光源都遇到了限制其作为坚固耐用、低成本中红外激光光源使用的基本问题，如CO2气体激光器设备复杂且巨大，差频振荡激光器与光参量振荡激光器等都需要使用昂贵的光学器件，且也不稳定；铅盐异质节激光器与量子级联半导体激光器的激光输出功率较低。因此，迄今为止，以上所述激光器存在的缺陷使之尚不能在诸如遥感测试等高功率的应用中被使用。与上述激光器光源形成对比的是，基于过渡金属离子(TM2+)掺杂的IIVI晶体ZnS、ZnSe, CdS以及CdSe等的全固态激光器正逐渐成为宽谱可调谐、高功率、高稳定性中红外激光光源。对过渡金属离子(TM2+)，如Cr2+、Co2+、Fe2+掺杂的I1-VI晶体的详细研究始于上世纪60年代。过渡金属离子进入半导体后在其能隙中会形成深能级，而且还会出现多重价态，因此早期的研究中将这种杂质离子看作荧光“克星”。这也是尽管过渡金属离子掺杂的I1-VI晶体引起了人们相当大的兴趣，但其激光效应却是到上世纪90年代才有报道的原因。在20世纪90年代中期,美国Lawrence Livermore国家实验室的De Loach等人(L.D.DeLoachj R. H. Page, G. D. Wilke, S. A. Payne, W. F. Krupkej Transition metal-dopedzinc chalcogenides: Spectroscopy and laser demonstration of a new class of gainmedia, Journal Name:1EEE Journal of Quantum Electronics; Journal Volume: 32;Journal Issue: 6; Other Information: PBD: Jun 1996，(1996) Medium: X; Size:PP. 885-895.)最先报道了过渡金属离子掺杂的I1-VI晶体研究的突破性进展他们研究了 Cr2+、Co2+、Ni2+和Fe2+掺杂的各种锌硫族化合物的吸收与发射特性，认为此类化合物很有希望成为中红外激光介质的潜质，并且基于Cr2+:ZnSe和Cr2+:ZnS做成了激光器,在室温下实现了 2.4 μ m的激光输出。类似于掺钛蓝宝石激光器，过渡金属离子掺杂的I1-VI晶体激光器将能够通过多种多样的振荡方式发光，并且具有可用InGaAsP或InGaNAs 二极管阵列的直接泵浦等优点。Cr2+、Co2+、Fe2+离子的光谱范围分别是是2 3 μπι、2. 6 4 μ m和3. 7 5. 2 μ m，具有较宽的可调谐范围。这类激光器发出的光源代表了现在最简单、最实惠的中红外激光光源。尽管对于过渡金属离子掺杂的I1-VI晶体激光器已经有了较为深入的研究，但是利用双掺杂或多掺杂过渡金属离子掺进I1-VI晶体作为激光增益介质以增大激光器可调谐激光输出范围的研究却鲜有涉及。
发明内容本实用新型的目的就是要提供一种基于中红外宽谱可调谐激光增益介质构建的激光输出实验装置。该实验装置采用双掺杂二价铬与钴离子IIVI晶体作为激光输出介质，能实现1. 6 4. 2 μ m中红外宽光谱波段可调谐的激光输出。为实现上述目的，本实用新型是采用以下技术措施构成的技术方案来实现的。本实用新型基于中红外宽谱可调谐激光增益介质双掺杂二价铬与钴离子IIVI晶体构建的激光输出实验装置，包括激光泵浦源、泵浦光束、密封箱、密封通光孔、输入腔镜、激光增益介质、输出腔镜、输出激光光束；从激光泵浦源输出的泵浦光束通过密封箱的密封通光孔进入输入腔镜，泵浦光束经输入腔镜到达激光增益介质，然后到达输出腔镜，经输出腔镜的激光再经密封通光孔输出中红外宽谱可调谐激光光速。上述方案中，所述激光增益介质为二价铬与钴离子双掺杂I1-VI晶体，其化学式是 Cr2+, Co2+:11-VI 。上述方案中，所述I1-VI晶体为ZnS、或ZnSe、或ZnTe、或CdS、或CdSe、或CdTe晶体。上述方案中，所述二价铬与钴离子，两种掺杂离子的浓度分别为Cr2+为IXlO18cm—3 到 I X IO20 cm—3、Co2+ 为 I X IO18 cm—3 到 I X IO20 cm—3。上述方案中，所述激光泵浦源其输出波长为1. 4 1.85 ym的泵浦光束。上述方案中，所述中红外宽谱可调谐输出光束的波长是1. 6 4. 2 μ m。本实用新型的激光输出实验装置中，为使泵浦光束全透过而输出激光全反射，所述的输入腔镜需镀膜；为使输出激光光束90%以上反射，所述的输出腔镜也需镀膜。本实用新型首先是对中红外可调谐激光增益介质双掺杂二价铬与钴离子IIVI晶体的制备，利用安瓿双端置掺杂物真空热扩散传输法或晶体双面镀掺杂物薄膜真空热扩散传输法制备双掺杂二价铬与钴离子IIVI晶体，两种方法的制备描述如下本实用新型利用安瓿双端置掺杂物真空热扩散传输法制备双掺杂二价铬与钴离子IIVI晶体，包括以下具体工艺步骤(I)将IIVI晶体为ZnS晶体薄圆片，置于由中间大、两端小的由三截石英管组成的石英安瓿中间，取单质Co粉末与单质Cr粉末分别置于石英安瓿的两端，且Co与Cr两种单质粉末各自与ZnS晶体薄圆片之间的距离相等；(2)将步骤(I)所述三截石英管组成的石英安瓿利用氢氧焰高温粘合在一起，并将其抽真空为10_3 10_5Pa后密封；(3)将步骤(2)密封好的石英安瓿放置于由多组加热棒加热的高温炉中，在温度为700 1300°C的条件下，热扩散I 15天，即得双掺杂二价铬与钴离子Cr2+，Co2+ = ZnS晶体激光增益介质样品；(4)最后将步骤(3)掺杂完成的二价铬与钴离子Cr2+，Co2+:ZnS晶体激光增益介质样品进行抛光、切割，即获得中红外宽谱可调谐激光增益介质双掺杂Cr2+，Co2+:ZnS晶体。本实用新型利用晶体双面镀铬薄膜和钴薄膜真空热扩散法制备双掺杂二价铬与钴离子IIVI晶体，包括以下具体工艺步骤(I)利用溅射法或蒸镀法在IIVI晶体为ZnS晶体薄圆片的两晶面分别镀上单质Co薄膜与单质Cr薄膜，其两晶面镀薄膜厚度为100 500nm ；(2)将步骤(I)已镀好薄膜的ZnS晶体薄圆片放入石英安瓿中，并将其抽真空为10-3 IO-5Pa后密封；(3)将步骤(2)密封好的石英安瓿放置于由多组加热棒加热的高温炉中，在温度为700 1300°C的条件下，热扩散I 15天，即获得双掺杂二价铬与钴离子Cr2+，Co2+ = ZnS晶体激光增益介质样品；(4)最后将步骤(3)掺杂完成的二价铬与钴离子Cr2+，Co2+:ZnS晶体激光增益介质样品进行抛光、切割，即获得中红外宽谱可调谐激光增益介质双掺杂Cr2+，Co2+: ZnS晶体。本实用新型采用上述制备方法同样可获得双掺杂Cr2+，C02+:ZnSe晶体和Cr2+, Co2+:CdS 晶体，Cr2+, Co2+:ZnTe 晶体和 Cr2+, Co2+:CdTe 晶体等。
本实用新型所具有的特点及有益的技术效果如下本实用新型激光输出实验装置利用二价铬与钴离子双掺杂II VI晶体激光增益介质，获得了理想的中红外宽波段可调谐激光输出；其获得双掺杂IIVI晶体增益介质的方法工艺步骤简单，易于操作与实现；具有中红外宽谱波段可调谐激光增益介质的Cr2+和Co2+双掺杂IIVI晶体构建的激光输出实验装置，可输出1. 6 4. 2μπι中红外宽谱可调谐激光；从而可大幅度增大激光器可调谐激光输出范围。
图1本实用新型基于中红外宽谱可调谐激光增益介质二价铬与钴离子双掺杂IIVI晶体构建的激光输出实验装置结构示意图。图中，I激光泵浦源，2泵浦光束，3密封通光孔，4密封箱，5输入腔镜，6激光增益介质，7输出腔镜，8输出激光光束。
具体实施方式
以下结合附图并用具体实施例对本实用新型作进一步详细说明，但并不意味着是对本实用新型保护内容的任何限定。本实用新型基于中红外宽谱可调谐激光增益介质双掺杂二价铬与钴离子II VI晶体构建的激光输出实验装置，如图1所示，包括激光泵浦源1，泵浦光束2，密封箱4，密封通光孔3,输入腔镜5,激光增益介质6,输出腔镜7,输出激光光束8 ;从激光泵浦源I输出的泵浦光束2通过密封箱4的密封通光孔3进入输入腔镜5，泵浦光束2经输入腔镜5后到达由双掺杂二价铬与钴离子IIVI晶体的激光增益介质，然后到达输出腔镜7，经输出腔镜7的激光再经密封通光孔3输出中红外宽谱可调谐激光光束8。实施例本实例基于中红外宽谱可调谐激光增益介质双掺杂二价铬与钴离子II VI晶体构建的激光输出实验装置，以Cr2+，Co2+:ZnS晶体为例作为激光增益介质用于构建该激光输出实验装置中，对获得的优质Cr2+，Co2+: ZnS晶体进行吸收光谱和发射光谱的研究。确定具体Cr2+，Co2+: ZnS晶体的泵浦波长为1. 55 μ m、Cr2+，Co2+: ZnS晶体的发射波长是1. 6 3. 7μ m。 选择由输入腔镜5，Cr2+, Co2+: ZnS晶体的激光增益介质6，激光输出腔镜7构成的凹凹腔作为激光谐振腔，采用半导体激光器(LD)作为泵浦源进行泵浦，实现1. 6 3. 7 μ m的可调谐中红外激光输出。以输出激光的波长2. 9μπι为例，设计出激光谐振腔系统。如图1所示，激光泵浦源I其波长是1. 55 μ m，泵浦光束2，输入腔镜5，其对1.55 μ m全透过，对2. 9 μ m波长光全反射，Cr2+，Co2+: ZnS晶体为增益介质6，输出腔镜7，其对2. 9 μ m波长90%反射，输出激光8其波长为2. 9 μπι。值得注意的是，当选择输出波长为2. 9μπι附近时，处于水的强吸收带，因此激光实验装置中需要排除水气对激光谐振腔的影响，可将激光谐振腔置于真空中，或充保护气体于密封箱4中排除此影响。
权利要求1.一种中红外宽谱可调谐激光增益介质构建的激光输出实验装置，其特征在于包括激光泵浦源(I)、泵浦光束(2)、密封箱(4)、密封通光孔(3)、输入腔镜(5)、激光增益介质(6 )、输出腔镜(7 )、输出激光光束(8 );从激光泵浦源(I)输出的泵浦光束(2 )通过密封箱(4)的密封通光孔(3)进入输入腔镜(5)，泵浦光束(2)经输入腔镜(5)到达激光增益介质(6)，然后到达输出腔镜(7)，经输出腔镜(7)的激光再经密封通光孔(3)输出中红外宽谱可调谐激光光束(8)。
2.根据权利要求1所述激光输出实验装置，其特征在于所述激光增益介质(6)为二价铬与钴离子双掺杂I1-VI晶体，其化学式是Cr2+，Co2+:11-VI。
3.根据权利要求2所述激光输出实验装置，其特征在于所述I1-VI晶体为ZnS、或ZnSe、或 ZnTe、或 CdS、或 CdSe、或 CdTe 晶体。
4.根据权利要求2所述激光输出实验装置，其特征在于所述二价铬与钴离子，其掺杂离子的浓度为 Cr2+ 为 I X IO18 CnT3 I X IO20 cnT3，Co2+ 为 I X IO18 cnT3 I X IO20 cnT3。
5.根据权利要求1所述激光输出实验装置，其特征在于所述激光泵浦光源(I)其输出波长为1. 4 1. 85 μ m的泵浦光束(2)。
6.根据权利要求1所述激光输出实验装置，其特征在于所述中红外宽谱可调谐输出激光光束(8)的波长是1. 6 4.2 μ m。
专利摘要本实用新型涉及一种中红外宽谱可调谐激光增益介质构建的激光输出实验装置，属于全固态激光介质领域。该实验装置包括激光泵浦源、泵浦光束、密封箱、密封通光孔、输入腔镜、激光增益介质、输出腔镜、输出激光光束。本实用新型激光输出实验装置采用双掺杂二价铬与钴离子Ⅱ-Ⅵ晶体作为激光增益输出介质，即将制备好的双掺杂二价铬与钴离子Ⅱ-Ⅵ晶体激光增益介质置于实验装置中的激光谐振腔系统中，并用泵浦波长为1.4～1.85μm泵浦源泵浦，即能实现1.6～4.2μm中红外宽光谱可调谐激光输出实验装置。
文档编号H01S3/16GK202872171SQ20122052813
公开日2013年4月10日 申请日期2012年10月16日 优先权日2012年10月16日
发明者冯国英, 易家玉, 周寿桓 申请人:四川大学