CN112751257A - 激光晶体、固体激光器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了激光晶体、固体激光器及其应用，所述激光晶体包括基质及掺杂物质，所述掺杂物质包括Nd³⁺、Er³⁺、Ho³⁺；Nd³⁺的掺杂浓度范围为0.1％～5％，Er³⁺的掺杂浓度范围为0.1％～30％，Ho³⁺的掺杂浓度范围0.1％～10％，上述浓度范围为摩尔比。本发明具有激光输出效率高等优点。

Description

激光晶体、固体激光器及其应用

技术领域

本发明涉及激光器，特别涉及激光晶体、固体激光器及其应用。

背景技术

2.5～3.1微米波段激光在军事、激光雷达、大气污染监测、生物工程、医疗卫生等领域具有广泛的应用前景，而且是可以通过光学参量振荡的技术手段实现更长波段的激光输出。

目前，在2.5～3.1微米波段研究比较集中的是利用掺铒(Er³⁺)激光晶体，如YAG、GGG和LYF等，而且2.94微米高浓度掺Er³⁺的YAG晶体已经获得产业化。然而，掺Er³⁺的激光材料，一般在特定的基质中只能获得固定波长且荧光光谱非常窄的激光，不利于制作超快激光器和长波段调谐激光器，而且铒离子的⁴I_11/2→⁴I_13/2跃迁是属于两个激发态能级之间的跃迁，一般情况下，上能级⁴I_11/2的荧光寿命会远远低于下能级⁴I_13/2的荧光寿命，导致很容易出现上能级粒子数低于下能级粒子数，难于形成粒子数反转，最终出现激光自终止，需要Er³⁺离子的高浓度掺杂通过上转换的能量传递机制实现荧光输出，高浓度掺杂很难获得光学质量高的激光晶体。

另外，掺钬(Ho³⁺)激光晶体理论上也能实现2.9微米激光，但缺乏泵浦源的问题严重制约了Ho³⁺的2.8～3.0微米的连续激光输出。Ho³⁺不存在与Er³⁺类似的上转换的能量传递机制，不能通过高浓度掺杂实现2.8～3.0微米的激光输出，而且Ho³⁺的⁵I₆→⁵I₇跃迁同样属于两个激发态能级之间的跃迁，难以形成粒子数反转，最终出现激光自终止。因此，Ho³⁺离子难于实现2.9微米激光输出。

相较于非常成熟的1微米激光材料，当前国内外仍没有实现光谱展宽较宽的2.5～3.1微米固态激光材料。鉴于2.5～3.1微米激光材料对实现中红外超快激光和中红外宽波长调谐的重要影响，为了增强中红外激光晶体材料的发光效率及解决相关激光材料激光自终止和缺乏泵浦源的问题，本发明提供一种使用新型中红外钕铒钬三掺的激光晶体材料的全固态激光器。

发明内容

为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种激光晶体。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

激光晶体，所述激光晶体包括基质；所述激光晶体还包括：

掺杂物质，所述掺杂物质包括Nd³⁺、Er³⁺、Ho³⁺；Nd³⁺的掺杂浓度范围为0.1％～5％，Er³⁺的掺杂浓度范围为0.1％～30％，Ho³⁺的掺杂浓度范围0.1％～10％，上述浓度范围为摩尔比。

本发明的另一目的在于提供了应用上述激光晶体的固体激光器，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

固体激光器，所述固体激光器包括晶体和泵浦源，所述晶体采用本发明的上述激光晶体。

本发明的另一目的在于提供了上述固体激光器的应用，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

根据本发明的固体激光器作为中红外光源的应用，所述固体激光器的输出波长为2.5-3.1μm。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

申请人提出一种钕铒钬三掺杂的中红外激光晶体：铒离子和钬离子同时作为激活离子，钕离子作为敏化和退激活离子；通过钬离子共掺来同时敏化饵离子、钬离子，同时大大降低饵离子、钬离子激光下能级⁴I_13/2和⁵I₇能级寿命的技术思想，达到同时实现LD泵浦和增强2.5～3.1微米中红外荧光发射的双重目的，利于粒子数反转，进而提高铒离子和钬离子激活中红外激光晶体的激光输出效率；

申请人研究了钕铒钬三掺杂中红外激光晶体在2.5～3.1微米波段的光学性质，通过数据表明，该材料能够作为实现2.5～3.1微米中红外宽带可调谐全固态激光输出和中红外超快激光输出的激光晶体材料。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1为本发明实施例中Er³⁺:PbF2和Nd³⁺/Er³⁺/Ho³⁺:PbF2晶体⁴I_13/2能级的荧光衰减曲线；

图2为本发明实施例中Ho³⁺:PbF2和Nd³⁺/Er³⁺/Ho³⁺:PbF2晶体⁵I₇能级的荧光衰减曲线。

具体实施方式

图1-2及以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例1：

激光晶体，所述激光晶体包括基质；所述激光晶体还包括：

掺杂物质，所述掺杂物质包括Nd³⁺、Er³⁺、Ho³⁺；Nd³⁺的掺杂浓度范围为0.1％～5％，Er³⁺的掺杂浓度范围为0.1％～30％，Ho³⁺的掺杂浓度范围0.1％～10％，上述浓度范围为摩尔比。

为了选择声子能量低的材料，进一步地，所述基质采用氟化钇钡、氟化钇锂、氟化铅、氟化钙、氟化镧、氟化锶、氟化镁、氟化镥锂、钇铝石榴石、铝酸镥石榴石、铝酸钇和铝酸镥中的至少一种。

本发明实施例的固体激光器，所述固体激光器包括晶体和泵浦源，所述晶体采用本发明实施例的激光晶体。

为了稳定的输出激光，进一步地，所述泵浦源采用半导体激光器，输出的泵浦光的中心波长为780-830nm。

本发明实施例的所述固体激光器作为中红外光源的应用，所述固体激光器的输出波长范围为2.5-3.1μm，输出波长包括2.7μm和2.9μm。

实施例2：

根据本发明实施例1的固体激光器的应用例。

在本应用例中，选用纯度大于99.999％的原料NdF₃、ErF₃、HoF₃和PbF₂作为基质；Nd^{3 +}、Er³⁺、Ho³⁺的掺杂浓度均为2％，浓度为摩尔比；

激光晶体加工成8×8×1mm³的样品进行光谱测试，在输出波长808nm的半导体激光器激发下，成功测试到2.5～3.1微米中红外荧光发射光谱曲线，结果如图1所示，证明了Nd³⁺对Er³⁺和Ho³⁺的敏化作用。

同时，采用坩埚下降法成功生长了Er³⁺和Ho³⁺单掺的氟化铅晶体，其中Er³⁺和Ho³⁺的掺杂浓度为2％，同样对其进行光谱性能测试，测试了两晶体的2.7微米和2.9微米附近的中红外荧光发射光谱曲线，并且与Nd³⁺/Er³⁺/Ho³⁺三掺杂的氟化铅晶体进行对比，结果如图1-2所示，可以看出，Nd³⁺的掺入，能够有效地增强晶体的2.5～3.1微米中红外荧光发射。

为了对Nd³⁺的退激活效应进行研究，测试了晶体激光下能级的荧光寿命，如图1-2所示，结果表明，Nd³⁺的掺入，能够有效地降低激光下能级荧光寿命，从单掺Er³⁺的14.23ms下降到Nd³⁺/Er³⁺/Ho³⁺三掺的0.09ms，单掺Ho³⁺的9.71ms下降到Nd³⁺/Er³⁺/Ho³⁺三掺的1.32ms，下降幅度分别达到99.4％和86.4％，直接从实验上证明了Nd³⁺对Er³⁺和Ho³⁺的退激活效应。

本实施例中，浓度均为摩尔比。

上述实施例仅是示例性地给出了基质的选择，以及Nd³⁺/Er³⁺/Ho³⁺。掺杂浓度，当然基质还可以在氟化钇钡、氟化钇锂、氟化铅、氟化钙、氟化镧、氟化锶、氟化镁、氟化镥锂、钇铝石榴石、铝酸镥石榴石、铝酸钇和铝酸镥中选择，Nd³⁺掺杂浓度在0.1％～5％中选择，Er³⁺的掺杂浓度在0.1％～30％选择，Ho³⁺的掺杂浓度在0.1％～10％中选择，实施效果也是可预料的。

Claims (7)

1.激光晶体，所述激光晶体包括基质；其特征在于，所述激光晶体还包括：

掺杂物质，所述掺杂物质包括Nd³⁺、Er³⁺、Ho³⁺；Nd³⁺的掺杂浓度范围为0.1％～5％，Er³⁺的掺杂浓度范围为0.1％～30％，Ho³⁺的掺杂浓度范围0.1％～10％，上述浓度范围为摩尔比。

2.根据权利要求1所述的激光晶体，其特征在于，所述基质采用氟化钇钡、氟化钇锂、氟化铅、氟化钙、氟化镧、氟化锶、氟化镁、氟化镥锂、钇铝石榴石、铝酸镥石榴石、铝酸钇和铝酸镥中的至少一种。

3.固体激光器，所述固体激光器包括晶体和泵浦源，其特征在于，所述晶体采用权利要求1或2所述的激光晶体。

4.根据权利要求3所述的固体激光器，其特征在于，所述泵浦源采用半导体激光器，输出的泵浦光的中心波长为780-830nm。

5.根据权利要求4所述的固体激光器，其特征在于，所述中心波长包括808nm。

6.根据权利要求3-5任一所述的固体激光器作为中红外光源的应用，所述固体激光器的输出波长范围为2.5-3.1μm。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述输出波长包括2.7μm和2.9μm。

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