掺镱钇铝石榴石与双掺铬镱钇铝石榴石自调Q激光器

摘要

掺镱钇铝石榴石与双掺铬镱钇铝石榴石自调Q激光器，涉及一种激光器。提供一种通过键合Yb:YAG晶体与Cr，Yb:YAG晶体获得的具有高效、高峰值功率激光输出的掺镱钇铝石榴石与双掺铬镱钇铝石榴石自调Q激光器。设有泵浦源、隔离器、第1柱状透镜、第2柱状透镜、激光增量介质Yb:YAG晶体和Cr，Yb:YAG晶体；所述泵浦源、隔离器、第1柱状透镜、第2柱状透镜、激光增量介质Yb:YAG晶体和Cr，Yb:YAG晶体从前至后依次排列并位于同一光轴上，所述激光增量介质Yb:YAG晶体的后表面镀增透膜及高反膜作为激光腔的后腔镜，所述Cr，Yb:YAG晶体的前表面镀增透膜及反射膜作为激光腔的前腔镜。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光器，尤其是涉及一种通过键合Yb:YAG晶体与Cr，Yb:YAG晶体获得 的具有高效、高峰值功率激光输出的掺镱钇铝石榴石与双掺铬镱钇铝石榴石 (Yb:YAG/Cr，Yb:YAG)自调Q激光器。

背景技术

掺稀土离子的钇铝石榴石晶体(Y₃Al₅O₁₂，即YAG)由于具有优良的物理机械性能、高 的化学稳定、优良的光学性能，在当前固体激光器领域占据着举足轻重的地位。特别是 Yb:YAG晶体具有宽的吸收带、长的荧光寿命、高掺杂浓度和高的量子效率，在相同的泵浦 功率下，Yb:YAG晶体在激光运行时产生的热仅为Nd:YAG的三分之一。采用端面泵浦、侧 面泵浦的棒状激光器及薄片激光器获得了千瓦甚至几十千瓦的连续激光输出。高掺杂浓度的 Yb:YAG晶体非常适合微片激光器的研制，基于被动调Q的Yb:YAG微片激光器实现了亚纳 秒、峰值功率高达百千瓦的激光输出，因此Yb:YAG晶体在激光器领域内受到越来越多的重 视。

激光二极管抽运的被动调Q固体激光器可以产生高的脉冲能量及峰值功率，同时拥有接 近衍射界限的光束质量，在遥感、激光测距、污染监测、激光雷达、材料加工及激光点火等 领域具有非常广阔的应用前景。用作被动调Q开关的可饱和吸收体材料通常有半导体材料和 Cr⁴⁺:YAG激光材料，而Cr⁴⁺:YAG可饱和吸收体材料具有热导性好、吸收截面大、饱和光强 小、损伤阈值高、无退化现象等优点，使得它在基于掺Nd³⁺及Yb³⁺离子的的被动调Q激光器 中作为可饱和吸收体显示出了极大的优越性。Cr⁴⁺:YAG可饱和吸收体的另外一个显著优点是 可以和Nd³⁺离子及Yb³⁺离子在YAG基质中共掺从而可以生长出双掺的Cr，Nd:YAG及 Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体，采用激光二极管作为泵浦源获得集成化、小型化的自调Q固体 激光器。但是由于Nd³⁺离子在YAG晶体中的分凝吸收很小，在Cr，Nd:YAG自调Q激光晶体 中很难实现Nd³⁺离子的高浓度掺杂，因此Cr，Nd:YAG自调Q激光器的激光性能受到了很大 的限制。特别是微片激光器需要采用薄的激光增益介质来获得短的激光脉冲输出，因此需要 采用高掺杂浓度的激光材料来吸收足够的泵浦光获得高效的激光输出。由于Yb³⁺离子的离子 半径与Y³⁺离子的相近，因此在Yb:YAG晶体中可以实现高浓度掺杂，同样在Cr，Yb:YAG自 调Q激光晶体中也可以实现Yb³⁺离子的高浓度掺杂，因此Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体具有 Cr，Nd:YAG自调Q激光晶体不可比拟的光学及机械热性能优点。1999年中国科学院上海光学 精密机械研究所的董俊等人首次生长出了Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体并对其光谱特性进行了 详细的报道([1，2]J.Dong，P.Deng，and J.Xu，″The growth of Cr⁴⁺，Yb³⁺:yttrium aluminum  garnet(YAG)crystal and its absorption spectra properties，″J.Crystal Growth 203，163-167(1999). J.Dong，P.Deng，and J.Xu，″Spectral and luminescence properties of Cr⁴⁺and Yb³⁺ions in yttrium  aluminum garnet(YAG)，″Opt.Mater.14，109-113(2000).)。2002年中国科学院上海光学精密 机械研究所的J.Dong等人([3]J.Dong，P.Deng，Y.Liu，Y.Zhang，G.Huang，and F.Gan， ″Performance of the self-Q-switched Cr，Yb:YAG laser，″Chin.Phys.Lett.19，342-344(2002).)采 用高光束质量的钛宝石可调谐激光器作为泵浦源首次实现了Cr，Yb:YAG自调Q激光的输出。 2003年，Y.Zhou等人([4]Zhou，Q.Thai，Y.C.Chen，and S.Zhou，″Monolithic Q-switched  Cr，Yb:YAG laser，″Opt.Commun.219，365-367(2003).)采用0.75mm厚的Cr，Yb:YAG自调Q 激光晶体作为激光增益介质，其中Yb³⁺离子的掺杂浓度为5at.％，Cr离子的掺杂浓度为0.5 at.％，在激光二极管的泵浦下获得了0.5ns的自调Q激光输出，但是由于采用的Cr，Yb:YAG 自调Q激光晶体中Yb³⁺离子的掺杂浓度低，输出激光的效率非常低，而且伴随着Cr，Yb:YAG 自调Q激光晶体光学镀膜的损伤，没有实际应用前景。2005年，J.Dong等人([5]J.Dong， J.Li，S.Huang，A.Shirakawa，and K.Ueda，″Multi-longitudinal-mode oscillation of  self-Q-switched Cr，Yb:YAG laser with a plano-concave resonator，″Opt.Commun.256，158-165 (2005).)采用Yb³⁺离子掺杂浓度为10at.％的Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体作为激光增益介质， 采用平-凹腔实现了激光二极管泵浦的Cr，Yb:YAG的自调Q激光输出。随后J.Dong等人采用 Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体作为激光增益介质实现了激光二极管泵浦的Cr，Yb:YAG微片自调 Q激光输出，获得了440ps、23.5μJ、峰值功率高达53kW的脉冲激光([6]J.Dong，A. Shirakawa，S.Huang，Y.Feng，T.Takaichi，M.Musha，K.Ueda，and A.A.Kaminskii，″Stable  laser-diode pumped microchip sub-nanosecond Cr，Yb:YAG self-Q-switched laser，″Laser Phys.Lett. 2，387-391(2005).)。但是由于在Yb:YAG晶体中共掺了Cr⁴⁺离子，晶体的缺陷增多，荧光寿 命相比与Yb:YAG晶体有明显的缩短([7]J.Dong，and P.Deng，″The effect of Cr concentration  on emission cross section and fluorescence lifetime in Cr，Yb:YAG crystal，″J.Lumin.104，151-158 (2003).)，激光的阈值高。而且Cr⁴⁺离子从800到1300nm具有非常宽的吸收带([8，9]H.Eilers， U.Hommerich，S.M.Jacobsen，W.M.Yen，K.R.Hoffman，and W.Jia，″Spectroscopy and  dynamics of Cr⁴⁺:Y₃Al₅O₁₂，″Phys.Rev.B.49，15505-15513(1994).R.Feldman，Y.Shimony，and  Z.Brushtein，″Dynamics of chromium ion valence transformation in Cr，Ca:YAG used as laser gain  and passively Q-switching media，″Opt.Mater.24，333-344(2003).)，因此在Yb³⁺离子的吸收带 (940nm处)有很强的吸收，对于有效利用泵浦光造成了很大的影响，因此激光的效率低。 通过深入的研究表明，如果进一步增加Cr⁴⁺离子浓度，不仅激光输出效率更低，甚至不能获 得的激光输出，因此双掺Cr，Yb:YAG自调Q材料不适合通过增加Cr⁴⁺离子的浓度来实现高峰 值功率、亚纳秒激光脉冲输出。

由于Yb:YAG晶体属于准三能级系统，在激光波长处有一定的吸收，在室温下运行时需 要高的泵浦功率密度来获得高效的激光输出。传统的Yb:YAG/Cr⁴⁺:YAG被动调Q激光器中的 激光增益介质Yb:YAG用来吸收泵浦光，而Cr⁴⁺:YAG则只是作为被动调Q开关元件，对泵 浦光的吸收没有任何作用。Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体中的Yb³⁺离子和Cr⁴⁺离子对泵浦光都 存在吸收，但是只用Yb³⁺离子吸收的泵浦光才对激光粒子反转数有作用，而Cr⁴⁺离子对泵浦 光的吸收造成了对泵浦光的损耗，因此整个系统的工作效率是低下的，不利于获得高效集成 化小型化高峰值功率固体激光器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过键合Yb:YAG晶体与Cr，Yb:YAG晶体获得的具有高效、 高峰值功率激光输出的掺镱钇铝石榴石与双掺铬镱钇铝石榴石(Yb:YAG/Cr，Yb:YAG)自调Q 激光器。

本发明设有泵浦源、隔离器、第1柱状透镜、第2柱状透镜、激光增量介质Yb:YAG晶 体和Cr，Yb:YAG晶体；所述泵浦源、隔离器、第1柱状透镜、第2柱状透镜、激光增量介质 Yb:YAG晶体和Cr，Yb:YAG晶体从前至后依次排列并位于同一光轴上，所述激光增量介质 Yb:YAG晶体的后表面镀增透膜及高反膜作为激光腔的后腔镜，所述Cr，Yb:YAG晶体的前表 面镀增透膜及反射膜作为激光腔的前腔镜。

所述泵浦源可采用940nm激光二极管，所述增透膜可为940nm增透膜，所述高反膜可采 用1030nm高反膜，所述反射膜可采用1030nm部分反射膜。

本发明可由940nm激光二极管作为泵浦源，激光二极管输出的激光通过一个隔离器来防 止反射的泵浦光对激光二极管的损伤，通过两个柱状透镜来耦合和聚焦泵浦光到Yb:YAG晶 体的后表面，Yb:YAG/Cr，Yb:YAG复合结构自调Q激光晶体中Yb:YAG晶体的后表面可镀 940nm的增透膜及1030nm的高反膜(反射率大于99％)作为激光器的后腔面，Cr，Yb:YAG 自调Q激光晶体的前表面镀1030nm的部分反射膜作为激光器的前腔镜。

与现有Yb:YAG/Cr⁴⁺:YAG被动调Q微片激光器及Cr，Yb:YAG自调Q激光器相比，本发 明由于充分利用了Yb:YAG/Cr，Yb:YAG复合结构材料中Yb:YAG晶体对泵浦光的吸收，同时 通过Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体对泵浦光的进一步吸收，极大限度地提高了泵浦光对激光粒 子反转数的效率。而且充分地发挥了自调Q激光晶体被动调Q的作用，降低了Cr，Yb:YAG 自调Q激光晶体中Cr⁴⁺离子对泵浦光的吸收损耗，从而极大地提高了泵浦光的利用效率，获 得高效的激光输出，可以使整套激光器件更加小型化、集成化和实用化。激光工作物质采用 <111>方向生长的Yb:YAG晶体及Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体，采用端面泵浦的方式有效地 使泵浦光和输出激光耦合，不仅可以获得高光束质量激光输出，而且可以通过Yb:YAG晶体 及Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体对泵浦光的有效吸收，提升由泵浦光所导致的激光粒子反转数， 从而实现Yb:YAG/Cr，Yb:YAG复合结构自调Q微片激光器的高效、高峰值功率激光输出。所 以本发明能够获得比原有Yb:YAG/Cr⁴⁺:YAG被动调Q激光及Cr，Yb:YAG自调Q激光技术更 高的亮度、更高的峰值功率，而且输出激光可以实现高的光学转换效率。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图。

图2为Yb:YAG晶体、Cr⁴⁺:YAG晶体及Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体在室温下的吸收光 谱。在图2中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为吸收系数Absorption coefficient(cm^-1)； 曲线a为Yb:YAG晶体，曲线b为Cr⁴⁺:YAG晶体，曲线c为Cr，Yb:YAG；其中Yb³⁺离子的 掺杂浓度为10at.％，Cr离子的掺杂浓度为0.025at.％。

图3为泵浦光强度在Yb:YAG晶体及Yb:YAG/Cr，Yb:YAG复合结构自调Q激光晶体中的 分布。在图3中，横坐标为长度Length(mm)，纵坐标为泵浦光强度Pump power intensity(a.u.)； 曲线a为Yb:YAG晶体，曲线b为Cr，Yb:YAG。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明实施例设有泵浦源1、隔离器2、第1柱状透镜3、第2柱状透镜4、 激光增量介质Yb:YAG晶体5和Cr，Yb:YAG晶体6；所述泵浦源1、隔离器2、第1柱状透镜 3、第2柱状透镜4、激光增量介质Yb:YAG晶体5和Cr，Yb:YAG晶体6从前至后依次排列并 位于同一光轴上，所述激光增量介质Yb:YAG晶体5的后表面镀增透膜及高反膜7作为激光 腔的后腔镜，所述Cr，Yb:YAG晶体6的前表面镀增透膜及反射膜8作为激光腔的前腔镜。

所述泵浦源1采用940nm激光二极管，所述增透膜为940nm增透膜，所述高反膜7采用 1030nm高反膜，所述反射膜8采用1030nm部分反射膜。

本发明所用的激光增益介质是用提拉法(Czochralski)沿<111>方向生长的优质Yb:YAG 晶体及Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体，以Yb³⁺离子掺杂浓度为10at.％的Yb:YAG晶体及 Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体为例来说明本发明的内容，其中Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体中 Cr离子的掺杂浓度为0.025at.％。

以940nm激光二极管作为泵浦源1，从激光二极管出射的激光通过隔离器2，通过隔离 器的入射激光经过第1柱状透镜3来压缩泵浦光的快轴发散角，用第2个柱状透镜4来压缩 激光二极管的慢轴发散角；通过第1柱状透镜3和第2柱状透镜4的光学耦合和聚焦在激光 增益介质Yb:YAG晶体5的入射面上形成一个面积为(50×50)μm²的泵浦光斑；Yb:YAG晶 体5的后表面镀940nm的增透膜及1030nm的高反膜7作为激光腔的后腔镜；Cr，Yb:YAG晶 体6的前表面镀940nm的增透膜及1030nm的部分反射膜8作为激光腔的后腔镜。

以下给出所述Yb:YAG/Cr，Yb:YAG复合结构自调Q微片激光器的制作方法：

首先把优质的Yb³⁺离子掺杂浓度为10at.％的Yb:YAG晶体5及Yb³⁺离子掺杂浓度为10 at.％、Cr离子掺杂浓度为0.025at.％的Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体6切割成尺寸为Φ10×1.5mm 的晶体毛坯、然后对该晶体毛坯进行粗磨、细磨和抛光，获得光学平行度小于1/10λ、厚度为 1mm的晶体薄片。然后对抛光后的Yb:YAG晶体及Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体进行键合从 而制备出Yb:YAG/Cr，Yb:YAG复合结构自调Q激光晶体。最后对键合好的Yb:YAG/Cr，Yb:YAG 复合结构自调Q激光晶体进行镀膜。镀膜的具体指标如下：面对940nm泵浦光入射的Yb:YAG 晶体微片的一面镀940nm的增透膜和1030nm的高反膜作为微片激光器激光腔的后腔镜7， Yb:YAG/Cr，Yb:YAG复合结构自调Q激光晶体的另外一面镀1030nm的部分反射膜形成激光 器的前腔镜(通常镀50％反射膜来实现高峰值功率的1030nm激光输出，而且可避免由于高 峰值功率激光振荡导致的激光镀膜的损伤)。用940nm的激光二极管作为泵浦源，通过由两 个不同焦距的聚焦透镜组成的光学耦合系统在Yb:YAG晶体的入射面获得直径为100微米的 泵浦光斑，提高泵浦光与输出激光的模式匹配。输出激光的功率通过功率计来测量，对于输 出激光脉冲特性的测试则是通过高灵敏度的光电探测仪及数字示波器来测试。其它基于高掺 杂浓度(＞10at.％)的Yb:YAG晶体及Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体的Yb:YAG/Cr，Yb:YAG复 合结构自调Q微片激光器可以根据其具体掺杂浓度来确定其优化的晶体厚度，从而实现高效、 高峰值功率激光输出。

通过对Cr⁴⁺:YAG被动调Q Yb:YAG激光器及Cr，Yb:YAG自调Q激光器的对比研究分析 发现，利用Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体由于掺杂Cr离子所造成的荧光寿命缩短的特性，通 过进一步吸收通过Yb:YAG晶体后的残余泵浦光可有效地提高Yb:YAG/Cr，Yb:YAG复合结构 自调Q激光晶体中粒子反转数的水平，从而可获得高效的自调Q激光脉冲输出。

本发明利用Yb:YAG晶体吸收一定的泵浦光，剩余的泵浦光经过Cr，Yb:YAG晶体的进一 步吸收，从而增加Yb:YAG/Cr，Yb:YAG复合结构自调Q激光器对泵浦光的吸收效率，提高粒 子反转数，实现高效的自调Q激光脉冲输出，从而获得一种小型化、集成化的激光二极管泵 浦的自调Q微片固体激光器。对于Yb:YAG/Cr，Yb:YAG复合结构自调Q激光器而言，晶体吸 收泵浦光所导致的粒子反转数可以用以下公式表示：

$N_{\mathrm{cw}}=\frac{P_p·(1-e^{-{\alpha }_{\mathrm{Yb}}l})}{{\mathrm{hv}}_p·\pi w_p^2·l}·\tau +\frac{P_p·e^{-\mathrm{\alpha l}}·(1-e^{-{\alpha }_{\mathrm{crYb}}{l}_s})}{{\mathrm{hv}}_p·\pi w_p^2·l_s}·{\tau }_s---\left(1\right)$

其中P_p是入射到Yb:YAG晶体上的泵浦光功率；α_Yb和α_CrYb分别是Yb:YAG晶体和Cr，Yb:YAG 晶体在940nm处的吸收系数；l和l_s分别是Yb:YAG晶体和Cr，Yb:YAG晶体的厚度；τ和τ_s分别是Yb:YAG晶体和Cr，Yb:YAG晶体的荧光寿命；hv_p是泵浦光光子能量；w_p是泵浦光斑 半径。Yb:YAG/Cr，Yb:YAG复合结构自调Q激光器中激光粒子反转数是由Yb:YAG晶体吸收 泵浦光所造成的粒子反转数和Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体吸收泵浦光做造成的粒子反转数两 部分组成。对于Yb离子掺杂浓度相同的Yb:YAG晶体和Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体而言， 其在940nm泵浦光主吸收峰处的吸收系数有一点差别(如图2所示)，主要是来源于Cr⁴⁺离 子在940nm处的吸收。图3给出了掺10at.％Yb³⁺离子的Yb:YAG晶体及Yb:YAG/Cr，Yb:YAG 键合晶体在不同部位泵浦光的强度分布，其中Cr，Yb:YAG晶体中Cr离子的掺杂浓度为0.025 at.％。从图3可以看出，如果只是采用Yb:YAG晶体作为激光增益介质，泵浦光强度的分布 呈指数衰减；如果是Yb:YAG/Cr，Yb:YAG键合晶体的话，由于Cr，Yb:YAG晶体的在940nm 处的吸收系数比Yb:YAG晶体的大一些，因此对Cr，Yb:YAG部分而言，不同位置的泵浦光强 度要小一些(如图3中的插图所示)。尽管采用单块Yb:YAG晶体或者Yb:YAG/Cr，Yb:YAG 键合晶体对泵浦光吸收的变化基本不大，但是掺0.025at.％Cr离子的Cr，Yb:YAG自调Q激光 晶体的荧光寿命为584μs，比Yb:YAG晶体的荧光寿命(951μs)有明显的缩短，而且由于 泵浦光所造成的反转粒子数与激光材料的荧光寿命呈正比，因此对反转粒子数的影响是非常 大的。因此根据晶体吸收泵浦光所导致的粒子反转数的公式(1)，可以得出如下结论：

1)1mm厚Yb:YAG晶体吸收泵浦光所产生的粒子反转数大概是1mm厚Cr，Yb:YAG自 调Q激光晶体的1.6倍；

2)如果把1mm厚的Yb:YAG晶体键合到0.5mm厚的Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体上， 则1.5mm厚Yb:YAG/Cr，Yb:YAG复合结构自调Q激光晶体吸收泵浦光产生的粒子反转数是1 mm厚Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体吸收泵浦光产生粒子反转数的2倍，是1.5厚Cr，Yb:YAG 自调Q激光晶体吸收泵浦光产生粒子反转数的1.5倍。因此通过键合Yb:YAG晶体和 Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体可以获得高的离子反转数，从而在Yb:YAG/Cr，Yb:YAG复合结构 自调Q激光器中实现高效的激光输出。

本发明的关键技术是控制Yb:YAG/Cr，Yb:YAG复合材料中Yb:YAG晶体的厚度，Yb:YAG 晶体吸收一定的泵浦光后，保证足够的残余泵浦光被Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体吸收，产生 足够的激光粒子反转数；其次是Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体的厚度与Cr离子掺杂浓度的控 制，保证获得高效、短脉冲、高峰值功率激光输出。

激光二极管泵浦的Yb:YAG/Cr，Yb:YAG复合结构自调Q激光器，主要涉及到采用键合技 术键合Yb:YAG晶体和Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体作为激光增益介质和被动调Q开关元件。 通过控制Yb:YAG晶体及Cr，Yb:YAG自调Q激光晶体的掺杂浓度、厚度来实现高电光转化效 率、高光束质量、高亮度、高峰值功率的集成化、小型化微片自调Q固体激光器。