利用可解理激光晶体制造的激光器件转让专利
申请号 : CN200510090441.6
文献号 : CN1917309B
文献日 : 2010-04-14
发明人 : 陈雨金 , 黄艺东 , 龚兴红 , 林炎富 , 林秀钦 , 罗遵度 , 谭奇光
申请人 : 中国科学院福建物质结构研究所
摘要 :
利用可解理激光晶体制造的激光器件，涉及激光晶体和器件领域。该激光器件采用具有完全解理能力的激光晶体RxM1-x(BO2)3或RxM1-xB2O4或RxM1-xF2，作为激光增益介质。将完全解理能力的高光学质量激光晶体，采用常规的解理方法沿其自然解理面进行人工解理，获得3毫米以下厚度要求的激光增益介质。本发明可免去激光介质的切割，减薄和抛光等加工环节，同时避免了晶体切割和抛光过程中带来的缺陷和杂质。
权利要求 :
1.利用可解理激光晶体制造的固体激光器件，其特征在于：该固体激光器件采用具有完全解理能力的激光晶体作为激光增益介质，并将激光晶体的解理面作为该激光器增益介质的一对平行端面；所述的激光晶体为RxRe1-x(BO2)3或RxM1-xB2O4或RxM1-xF2晶体，其中0＜x≤1，Re为Ti、Cr、Y、Sc、以及镧系元素中某一元素或若干元素的组合，M为碱土金属元素，R3+是部分或完全替代晶体基质中Re3+或M3+离子位置的某种稀土或过渡金属离子，R一般为Ti、Cr、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、或Yb离子。
2.如权利要求1的固体激光器件，其特征在于：所述的激光晶体为RxLa1-x(BO2)3晶体。
3.如权利要求2的固体激光器件，其特征在于：所述的激光晶体为NdxLa1-x(BO2)3晶体。
说明书 :
技术领域
本发明涉及激光晶体和器件领域。
背景技术
阻碍固体激光器向高平均功率发展的最大问题是激光介质在光泵浦过程中产生的热。沉积在激光介质里的废热将导致热透镜、热致双折射和热应力等效应，并由此造成激光输出光束质量的退化，激光输出功率的降低和不稳定，甚至还可能造成激光介质的破裂。如果采用薄片激光器(thin-disk laser)或板条激光器(slablaser)的设计方案(Optics and Lasers in Engineering，34(2000)213-229)，将激光介质加工成厚度在3毫米以下的板条或薄片，再对上述激光介质的一个或两个端面进行冷却，不仅能有效地消散激光介质中的热量，而且可以使热流沿厚度方向一维分布，然后通过合理设计泵浦耦合结构，降低介质热效应的影响，从而使得激光介质在高功率运转条件下仍保持较高的工作效率和输出光束质量。
目前，获得薄片或板条激光介质的工艺过程一般是：首先生长出高光学质量的激光晶体；然后根据泵浦光和器件的具体要求，将晶体切成厚度在3毫米以下的晶片；这些晶片经过严格的抛光处理后用于激光实验。在此过程中需要非常高精度的加工工艺，特别是对厚度在几百甚至几十微米的激光介质的抛光处理。抛光后介质的两个通光面必须保持相当高的光洁度、平面度和平行度，否则将严重影响激光器的激光性能。这种加工精度和难度给薄片或板条激光介质的批量化生产带来了很大的麻烦并使生产成本得不到降低，成为激光器研究，制造和商品化生产的一个瓶颈。
某些晶体在外力作用下能够沿着一定方向分裂出光滑平面，这种性质称为解理。由于晶体的解理是由其内部离子之间相互作用的最终结果，因此解理面的光洁度、平面度和平行度可以达到原子尺寸的精度，大大优于机械加工的效果，而且还可根据实际需要轻易获得不同厚度的解理片。
某些激光晶体也存在着解理现象，难以获得大尺寸棒状激光增益介质。因此，长期以来人们竭力采用各种生长措施来避免或者减小激光晶体的解理，甚至于放弃了解理晶体用作激光材料的可能。
然而，由于薄片和板条激光增益介质恰恰需要薄片状的晶体材料，因此可以利用具有完全解理性能的激光晶体，通过改善晶体生长工艺从解理晶体上直接取得具有高光学质量的解理片，省去传统加工过程中需要的切割和高精度抛光工艺要求。采用解理方法获得的薄片和板条激光增益介质不仅其两端面的光洁度、平面度和平行度可以达到原子尺寸的精度，大大优于机械加工的效果；而且还避免了晶体加工过程带来的缺陷和杂质。这对提高薄片和板条激光器的运转效率、输出功率和光束质量均具有重要意义。
目前，获得薄片或板条激光介质的工艺过程一般是：首先生长出高光学质量的激光晶体；然后根据泵浦光和器件的具体要求，将晶体切成厚度在3毫米以下的晶片；这些晶片经过严格的抛光处理后用于激光实验。在此过程中需要非常高精度的加工工艺，特别是对厚度在几百甚至几十微米的激光介质的抛光处理。抛光后介质的两个通光面必须保持相当高的光洁度、平面度和平行度，否则将严重影响激光器的激光性能。这种加工精度和难度给薄片或板条激光介质的批量化生产带来了很大的麻烦并使生产成本得不到降低，成为激光器研究，制造和商品化生产的一个瓶颈。
某些晶体在外力作用下能够沿着一定方向分裂出光滑平面，这种性质称为解理。由于晶体的解理是由其内部离子之间相互作用的最终结果，因此解理面的光洁度、平面度和平行度可以达到原子尺寸的精度，大大优于机械加工的效果，而且还可根据实际需要轻易获得不同厚度的解理片。
某些激光晶体也存在着解理现象，难以获得大尺寸棒状激光增益介质。因此，长期以来人们竭力采用各种生长措施来避免或者减小激光晶体的解理，甚至于放弃了解理晶体用作激光材料的可能。
然而，由于薄片和板条激光增益介质恰恰需要薄片状的晶体材料，因此可以利用具有完全解理性能的激光晶体，通过改善晶体生长工艺从解理晶体上直接取得具有高光学质量的解理片，省去传统加工过程中需要的切割和高精度抛光工艺要求。采用解理方法获得的薄片和板条激光增益介质不仅其两端面的光洁度、平面度和平行度可以达到原子尺寸的精度，大大优于机械加工的效果；而且还避免了晶体加工过程带来的缺陷和杂质。这对提高薄片和板条激光器的运转效率、输出功率和光束质量均具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是采用具有完全解理能力的激光晶体，利用其解理特性直接获得满足薄片激光器或板条激光器运转需要的激光增益介质，解理晶体的一对自然解理面即为板条或薄片激光增益介质的一对平行端面。免去激光介质的切割，减薄和抛光等加工环节，同时避免了晶体切割和抛光过程中带来的缺陷和杂质。
实现本发明的目的可采用如下技术方案：选择合适的晶体生长工艺生长出具有完全解理能力的高光学质量激光晶体，采用常规的解理方法沿其自然解理面进行人工解理，获得3毫米以下厚度要求的激光增益介质。这些介质的一个或两个解理端面再按常规薄片激光器或板条激光器的设计工艺要求直接进行镀膜或冷却技术的处理即可符合实际的激光器工作需要。
本技术方案可实施于具有完全解理能力的RxM1-x(BO2)3激光晶体中。其中0＜x≤1，M为Ti、Cr、Y、Sc、以及镧系元素中某一元素或若干元素的组合；R3+为激活离子根据泵浦源、激光腔和应用需要等因素确定的，它是部分或完全替代晶体基质中M3+离子位置的某种稀土或过渡金属离子，R一般为Ti、Cr、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb。而且，该技术方案在RxLa1-x(BO2)3(R为稀土离子)解理晶体中具有较佳的实施效果。目前，该技术方案已经在NdxLa1-x(BO2)3解理片中实现了高效的激光运转。
采用其它类型的可解理激光晶体，如RxM1-xB2O4，RxM1-xF2(其中0＜x≤1，M为碱土金属元素，R3+是部分或完全替代晶体基质中M3+离子位置的某种稀土或过渡金属离子)，也可以实现同样的效果。
实施本发明技术方案具有的有益的效果是能够直接获得满足薄片激光器和板条激光器需要的激光增益介质。一方面省去了激光介质的切割、减薄和抛光等加工环节，克服了薄片和板条激光材料加工难度大、费工费时的不足；另一方面还能保证激光介质端面具有更高的光洁度、平面度和平行度，避免加工过程带来的缺陷和杂质，提高激光介质的端面光学质量，成品率和经济效益，省时高效，便于标准化、大批量制造板条激光器和薄片激光器。
实现本发明的目的可采用如下技术方案：选择合适的晶体生长工艺生长出具有完全解理能力的高光学质量激光晶体，采用常规的解理方法沿其自然解理面进行人工解理，获得3毫米以下厚度要求的激光增益介质。这些介质的一个或两个解理端面再按常规薄片激光器或板条激光器的设计工艺要求直接进行镀膜或冷却技术的处理即可符合实际的激光器工作需要。
本技术方案可实施于具有完全解理能力的RxM1-x(BO2)3激光晶体中。其中0＜x≤1，M为Ti、Cr、Y、Sc、以及镧系元素中某一元素或若干元素的组合；R3+为激活离子根据泵浦源、激光腔和应用需要等因素确定的，它是部分或完全替代晶体基质中M3+离子位置的某种稀土或过渡金属离子，R一般为Ti、Cr、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb。而且，该技术方案在RxLa1-x(BO2)3(R为稀土离子)解理晶体中具有较佳的实施效果。目前，该技术方案已经在NdxLa1-x(BO2)3解理片中实现了高效的激光运转。
采用其它类型的可解理激光晶体，如RxM1-xB2O4，RxM1-xF2(其中0＜x≤1，M为碱土金属元素，R3+是部分或完全替代晶体基质中M3+离子位置的某种稀土或过渡金属离子)，也可以实现同样的效果。
实施本发明技术方案具有的有益的效果是能够直接获得满足薄片激光器和板条激光器需要的激光增益介质。一方面省去了激光介质的切割、减薄和抛光等加工环节，克服了薄片和板条激光材料加工难度大、费工费时的不足；另一方面还能保证激光介质端面具有更高的光洁度、平面度和平行度，避免加工过程带来的缺陷和杂质，提高激光介质的端面光学质量，成品率和经济效益，省时高效，便于标准化、大批量制造板条激光器和薄片激光器。
具体实施方式
实例1：799nm半导体激光泵浦5.6at％Nd3+激活的可解理La(BO2)3薄片实现1060nm激光输出。
La(BO2)3晶体属于单斜晶系，空间群为C2/c，其单胞参数为α＝γ＝90°，β＝127.06°，Z＝4。该晶体可被Nd3+离子激活，并可沿(101)面解理。在799nm处，Nd3+离子对垂直该解理面入射的光有一强的吸收峰，吸收截面为5.0×10-20cm2。对Nd0.056La0.944(BO2)3晶体沿(101)解理面剥离出200μm厚的薄片，该薄片表面的光洁度为20/10，平面度在633nm波长处小于1/4波长，平行度约为10秒。直接在该薄片的一个解理端面镀上对泵浦光和基波激光均高反的介质膜构成激光腔的一个腔镜，再将这一端面直接或再镀上一层导热材料(如铟，锡等)后贴在散热器上作为冷却面，沿轴向快速消散介质中产生的热量。薄片的另一端面可作为泵光的入射面，也可在此端面镀上对泵光的增透膜。在薄片的非冷却面一端放置输出耦合镜构成激光腔的另一腔镜，该镜在1060nm处的透过率在1％到20％之间(根据泵浦光功率确定)。由于200μm的薄片单程只能吸收41％的入射光，若采用端面泵浦(沿一定角度入射)，就必须采用球形反射镜技术使泵浦光连续多次通过介质以充分利用泵浦光。该类器件也可采用侧向泵浦方案，只要薄片的径向长度足够充分吸收80％以上的入射光，也可以实现同样的目的。此时，薄片还必须切割抛光出两个平行的侧面作为入射面。对于侧向泵浦方案，输出腔镜也可直接镀在薄片的非冷却解理端面上。上述方案均可构成一个利用799nm半导体激光泵浦获得1060nm高平均功率固体激光的薄片激光器件。
实例2：799nm半导体激光泵浦5.6at％Nd3+激活的可解理La(BO2)3薄片实现腔内倍频530nm绿色激光输出。
直接将倍频1060nm的非线性光学晶体(如KTP、LBO、β-BBO等)插入实例1中薄片的非冷却端面和输出腔镜之间，在输出腔镜上镀上1060nm处高反，530nm处高透的介质膜。这便是一个799nm半导体激光端面或侧向泵浦输出530nm绿色固体激光的腔内倍频薄片激光器件。也可以将输出腔镜直接镀在非线性光学晶体的输出端面上；或者将薄片与非线性光学晶体粘贴，采用侧向泵浦方案，可以实现同样的目的。
实例3：799nm半导体激光泵浦5.6at％Nd3+激活的可解理La(BO2)3薄片实现1060nm被动调Q脉冲激光输出。
直接将调Q片(如Cr4+:YAG，GaAs等)插入实例1中薄片的非冷却端面和输出腔镜之间，在输出腔镜上镀上1060nm处的透过率在1％到20％之间(根据泵浦光功率确定)的介质膜。这便是一个799nm半导体激光端面或侧向泵浦输出1060nm调Q脉冲激光的被动调Q薄片激光器件。也可以将输出腔镜直接镀在调Q片的输出端面上；或者将薄片与调Q片粘贴，采用侧向泵浦方案，可以实现同样的目的。
实例4：799nm半导体激光泵浦5.6at％Nd3+激活的可解理La(BO2)3薄片实现被动调Q腔内倍频530nm绿色脉冲激光输出。
直接将调Q片(如Cr4+:YAG，GaAs等)和倍频1060nm的非线性光学晶体(如KTP、LBO、β-BBO等)依次插入实例1中薄片的非冷却端面和输出腔镜之间，在输出腔镜上镀上1060nm处高反，530nm处高透的介质膜。这便是一个799nm半导体激光端面或侧向泵浦输出脉冲530nm绿色固体激光的被动调Q腔内倍频薄片激光器件。也可以将输出腔镜直接镀在非线性光学晶体的输出端面上；或者将薄片与调Q片粘贴，再将调Q片的另一端面与倍频1060nm的非线性光学晶体(如KTP、LBO、β-BBO等)粘贴，采用侧向泵浦方案，可以实现同样的目的。
实例5：799nm半导体激光泵浦1.0at％Nd3+激活的可解理La(BO2)3板条实现1060nm激光输出。
在799nm处，Nd3+离子对平行该解理面入射的光也有一强的吸收峰，吸收截面为5.0×10-20cm2。对Nd0.01La0.99(BO2)3晶体沿(101)解理面剥离出2毫米厚的晶片。该晶片表面的光洁度为10/5，平面度在633nm波长处小于1/4波长，平行度约为10秒。由于板条激光器通常采用侧向泵浦方案，根据吸收截面值可计算出激光介质单程吸收80％入射泵浦光所需的板条宽度为3.4毫米。将解理获得的晶片切成2×3.4×10mm3的板条。两个3.4×10mm2的自然解理面可直接或镀上一层导热材料(如铟，锡等)后都贴在散热器上作为冷却面，沿轴向快速消散介质产生的热量。板条其余的四个面进行抛光处理。两个2×10mm2的面作为泵浦端面，而两个2×3.4mm2的面镀上输出耦合镜构成激光腔，该输出镜在1060nm处的透过率在1％到20％之间(根据泵浦光功率确定)。输出镜可以不直接镀在板条介质的面上而独立放置，也可实现同样的目的。该解理板条便是一个利用799nm半导体激光泵浦获得1060nm固体激光的板条激光器件。
实例6：将实例5中板条激光器的输出耦合镜独立放置，在板条的输出端面与输出镜间采用实例2至4的相应元件和措施，可以实现类似于实例2到4的效果。
La(BO2)3晶体属于单斜晶系，空间群为C2/c，其单胞参数为α＝γ＝90°，β＝127.06°，Z＝4。该晶体可被Nd3+离子激活，并可沿(101)面解理。在799nm处，Nd3+离子对垂直该解理面入射的光有一强的吸收峰，吸收截面为5.0×10-20cm2。对Nd0.056La0.944(BO2)3晶体沿(101)解理面剥离出200μm厚的薄片，该薄片表面的光洁度为20/10，平面度在633nm波长处小于1/4波长，平行度约为10秒。直接在该薄片的一个解理端面镀上对泵浦光和基波激光均高反的介质膜构成激光腔的一个腔镜，再将这一端面直接或再镀上一层导热材料(如铟，锡等)后贴在散热器上作为冷却面，沿轴向快速消散介质中产生的热量。薄片的另一端面可作为泵光的入射面，也可在此端面镀上对泵光的增透膜。在薄片的非冷却面一端放置输出耦合镜构成激光腔的另一腔镜，该镜在1060nm处的透过率在1％到20％之间(根据泵浦光功率确定)。由于200μm的薄片单程只能吸收41％的入射光，若采用端面泵浦(沿一定角度入射)，就必须采用球形反射镜技术使泵浦光连续多次通过介质以充分利用泵浦光。该类器件也可采用侧向泵浦方案，只要薄片的径向长度足够充分吸收80％以上的入射光，也可以实现同样的目的。此时，薄片还必须切割抛光出两个平行的侧面作为入射面。对于侧向泵浦方案，输出腔镜也可直接镀在薄片的非冷却解理端面上。上述方案均可构成一个利用799nm半导体激光泵浦获得1060nm高平均功率固体激光的薄片激光器件。
实例2：799nm半导体激光泵浦5.6at％Nd3+激活的可解理La(BO2)3薄片实现腔内倍频530nm绿色激光输出。
直接将倍频1060nm的非线性光学晶体(如KTP、LBO、β-BBO等)插入实例1中薄片的非冷却端面和输出腔镜之间，在输出腔镜上镀上1060nm处高反，530nm处高透的介质膜。这便是一个799nm半导体激光端面或侧向泵浦输出530nm绿色固体激光的腔内倍频薄片激光器件。也可以将输出腔镜直接镀在非线性光学晶体的输出端面上；或者将薄片与非线性光学晶体粘贴，采用侧向泵浦方案，可以实现同样的目的。
实例3：799nm半导体激光泵浦5.6at％Nd3+激活的可解理La(BO2)3薄片实现1060nm被动调Q脉冲激光输出。
直接将调Q片(如Cr4+:YAG，GaAs等)插入实例1中薄片的非冷却端面和输出腔镜之间，在输出腔镜上镀上1060nm处的透过率在1％到20％之间(根据泵浦光功率确定)的介质膜。这便是一个799nm半导体激光端面或侧向泵浦输出1060nm调Q脉冲激光的被动调Q薄片激光器件。也可以将输出腔镜直接镀在调Q片的输出端面上；或者将薄片与调Q片粘贴，采用侧向泵浦方案，可以实现同样的目的。
实例4：799nm半导体激光泵浦5.6at％Nd3+激活的可解理La(BO2)3薄片实现被动调Q腔内倍频530nm绿色脉冲激光输出。
直接将调Q片(如Cr4+:YAG，GaAs等)和倍频1060nm的非线性光学晶体(如KTP、LBO、β-BBO等)依次插入实例1中薄片的非冷却端面和输出腔镜之间，在输出腔镜上镀上1060nm处高反，530nm处高透的介质膜。这便是一个799nm半导体激光端面或侧向泵浦输出脉冲530nm绿色固体激光的被动调Q腔内倍频薄片激光器件。也可以将输出腔镜直接镀在非线性光学晶体的输出端面上；或者将薄片与调Q片粘贴，再将调Q片的另一端面与倍频1060nm的非线性光学晶体(如KTP、LBO、β-BBO等)粘贴，采用侧向泵浦方案，可以实现同样的目的。
实例5：799nm半导体激光泵浦1.0at％Nd3+激活的可解理La(BO2)3板条实现1060nm激光输出。
在799nm处，Nd3+离子对平行该解理面入射的光也有一强的吸收峰，吸收截面为5.0×10-20cm2。对Nd0.01La0.99(BO2)3晶体沿(101)解理面剥离出2毫米厚的晶片。该晶片表面的光洁度为10/5，平面度在633nm波长处小于1/4波长，平行度约为10秒。由于板条激光器通常采用侧向泵浦方案，根据吸收截面值可计算出激光介质单程吸收80％入射泵浦光所需的板条宽度为3.4毫米。将解理获得的晶片切成2×3.4×10mm3的板条。两个3.4×10mm2的自然解理面可直接或镀上一层导热材料(如铟，锡等)后都贴在散热器上作为冷却面，沿轴向快速消散介质产生的热量。板条其余的四个面进行抛光处理。两个2×10mm2的面作为泵浦端面，而两个2×3.4mm2的面镀上输出耦合镜构成激光腔，该输出镜在1060nm处的透过率在1％到20％之间(根据泵浦光功率确定)。输出镜可以不直接镀在板条介质的面上而独立放置，也可实现同样的目的。该解理板条便是一个利用799nm半导体激光泵浦获得1060nm固体激光的板条激光器件。
实例6：将实例5中板条激光器的输出耦合镜独立放置，在板条的输出端面与输出镜间采用实例2至4的相应元件和措施，可以实现类似于实例2到4的效果。