專利名稱：摻激活離子的釩酸镥晶體微片激光器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用摻激活離子的釩酸镥晶體制造的微片激光器件，屬于激光晶體和器件領域。
背景技術：
微片激光器是最簡單、最緊湊的半導體泵浦固體激光器。其特點是將腔鏡介質膜直接鍍到高增益激光晶體的兩個端面上，形成腔長極短的平-平諧振腔，輸出光束質量、方向性、單色性都優于泵浦激光的近紅外激光。在添加調Q元件或非線性光學晶體之后，可以實現基頻激光的調Q、倍頻或者混頻，獲得脈沖和可見波段的激光輸出。這種激光器具有結構緊湊、體積小、閾值低、效率高、光束質量好、操作簡便、無需光學準直和保養、成本低，以及便于工業化批量生產等優點。這類激光器的突出優勢是便于采用當前微電子領域普遍流行的集成化制造工藝，從而使低成本、大批量、高重復性、高可靠性的規模生產成為可能。它的發展是固體激光領域的一場實質性技術革命，在自動化、通訊、醫療、環保、科研等許多領域具有廣闊需求。
微片激光器的泵浦方式主要分為兩種端面泵浦、側面泵浦。側面泵浦的光學耦合系統相對簡單，散熱效果好，可以獲得較高功率輸出，但整個器件的尺寸較大，轉換效率也不高。端面泵浦具有晶體尺寸小、光學耦合效率高、泵浦光與激光模式匹配好的優點，因而整體而言激光器轉換效率較高，易于獲得高光束質量的激光輸出，但其缺點是散熱效果差，一般只能工作在低功率水平下。
相比其他類型的激光器而言，微片激光器這種設計方案實現得較晚，盡管早在1960年代就有微片激光器的構想，但直到1980年代才真正實現。1989年美國MIT林肯實驗室的Zayhowski首次報道了單頻微片Nd:YAG激光器，1994年德國航空航天研究院技術物理所A.Giesen等報道了高泵浦功率的Yb:YAG微片激光器。目前，比較成熟的微片激光材料有摻稀土離子的YAG、YVO4、GdVO4等。LuVO4是近年來出現的一種新型釩酸鹽晶體，其單晶激光性質直至2002年才由Maunnier等人首次報道。從已有研究來看，摻稀土離子的LuVO4晶體的激光性能非常優越，這種晶體具有物化性能穩定、生長速度快、加工便利、發射截面大、摻雜濃度高、吸收系數大、吸收帶寬等諸多優勢。以Nd:LuVO4晶體為例，其吸收和發射截面均大于Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdVO4三者中的任何一個，雖然熱學性能比Nd:YAG略差，但與Nd:GdVO4晶體相當而優于Nd:YVO4。所有這些性質表明，摻稀土離子的LuVO4晶體非常適于制作高效率、小型化的新型微片激光器件，市場應用前景廣闊。
(三)
發明內容
為了解決現有微片激光器件所存在的尺寸大、裝置復雜、輸出功率小、轉換效率低的問題，本發明設計一種用摻激活離子的釩酸镥作為端面泵浦微片激光器件的激光介質，用它做成的微片激光器件具有尺寸小、結構緊湊、熱性能好、輸出功率大、轉換效率高等優點。
本發明是由如下技術方案實現的用摻激活離子的釩酸镥晶體作為激光介質制造端面泵浦微片激光器件，并可與非線性光學、調Q元器件組合構成變頻、脈沖激光器件。
制作微片激光器件所采用的激光介質為RxLu1-xVO4晶體，其中0＜x≤1，R3+激活離子是根據泵浦源、激光腔和應用需要等因素確定的，它是部分或完全替代晶體基質中Lu3+離子位置的某種稀土離子，可以是R＝Nd、Ho、Er、Tm、Yb。所用激光晶體RxLu1-xVO4的通光面尺寸小于或等于10mm×10mm。
在釩酸镥晶體兩端面直接鍍上有利于端面泵浦、激光諧振和激光輸出的介質膜，利用半導體或其他類型激光端面泵浦輸出固體激光。
在釩酸镥晶體的一個端面鍍上有利于端面泵浦、激光諧振的介質膜，而將另一面有利于激光輸出的介質膜鍍在腔鏡上，再將一面鍍膜的釩酸镥晶體微片與腔鏡構成激光器件。
將釩酸镥晶體微片的一個端面與用作倍頻的非線性光學晶體的一個端面粘貼，再將釩酸镥晶體微片的另一個端面和非線性光學晶體的另一個端面鍍上有利于端面泵浦、激光諧振、腔內倍頻和倍頻激光輸出的介質膜，利用半導體或其他類型激光端面泵浦輸出腔內倍頻激光。也可以將其中一面介質膜鍍在腔鏡上，再將一面鍍膜的微片和非線性光學晶體的粘合體與腔鏡構成腔內倍頻激光器件；或者不將微片與非線性光學晶體粘貼，可以實現同樣的目的。
將釩酸镥晶體微片的一個端面與調Q片的一個端面粘貼，再將釩酸镥晶體微片的另一個端面和調Q片的另一個端面鍍上有利于端面泵浦、激光諧振和脈沖激光輸出的介質膜，利用半導體或其他類型激光端面泵浦輸出被動調Q脈沖激光。也可以將其中一面介質膜鍍在腔鏡上，再將一面鍍膜的微片和被動調Q片的粘合體與腔鏡構成被動調Q微片激光器件；或者不將微片與被動調Q片粘貼，可以實現同樣的目的。
將釩酸镥晶體微片的一個端面與調Q片的一個端面粘貼，再將調Q片的另一端面與用作倍頻的非線性光學晶體的一個端面粘貼，釩酸镥晶體微片的另一個端面和非線性光學晶體的另一個端面鍍上有利于端面泵浦、激光諧振、腔內倍頻和倍頻脈沖激光輸出的介質膜，利用半導體或其他類型激光端面泵浦輸出被動調Q腔內倍頻脈沖激光。也可以將其中一面介質膜鍍在腔鏡上，再將一面鍍膜的微片、調Q片和非線性光學晶體的粘合體與腔鏡構成被動調Q腔內倍頻激光器件。上述器件中不將微片與被動調Q片粘貼，可以實現同樣的目的；或者上述器件中不將被動調Q片與非線性光學晶體粘貼，可以實現同樣的目的；或者上述器件中既不將微片與被動調Q片粘貼，又不將被動調Q片與非線性光學晶體粘貼，可以實現同樣的目的。
采用適當激活離子濃度和通光厚度的釩酸镥晶體微片，使得端面泵浦的泵浦激光透過釩酸镥晶體微片后仍有部分光強，該光強與腔內諧振激光在非線性光學晶體中進行和頻作用；先將釩酸镥晶體微片的一個端面與用作和頻的非線性光學晶體的一個端面粘貼，再將釩酸镥晶體微片的另一個端面和非線性光學晶體的另一個端面鍍上有利于端面泵浦、激光諧振、腔內和頻以及和頻激光輸出的介質膜，利用半導體或其他類型激光端面泵浦輸出腔內和頻激光。也可以將其中一面介質膜鍍在腔鏡上，再將一面鍍膜的微片和非線性光學晶體的粘合體與腔鏡構成腔內和頻激光器件；或者不將微片與非線性光學晶體粘貼，可以實現同樣的目的。
微片激光晶體通光方向厚度小于或等于6mm，具體尺寸根據所摻激活離子的類型和濃度而定。泵浦方式采用端面泵浦，即泵浦光的傳播方向與諧振激光的傳播方向一致，這種設計方案與釩酸镥晶體優良的激光、熱學性能相結合，使所制成的器件在保持小型化、高束質、高效率的傳統優勢基礎上，又具備了輸出功率大、穩定的新特點，彌補了現有端面泵浦微片激光器件的不足，大大提高了性能。
以下以摻雜濃度為1at.％的Nd:LuVO4晶體為例，說明本發明所制成微片激光器件的效果。選擇Nd:LuVO4晶體的通光面尺寸為3mm×3mm，通光方向厚度為1.5mm，在晶體的一個端面鍍上808nm增透膜(T＞90％)和1065nm高反膜(R＞99.8％)，在晶體的另一個端面鍍上1065nm部分反射膜(T＝1％)，即構成端面泵浦的Nd:LuVO4晶體微片激光器件。利用輸出波長為808nm的半導體激光器端面泵浦該微片激光器件可輸出1065nm固體激光，具體性能如表1所示。為便于比較，我們將已公開的一些主要基質材料所制成的同類微片激光器件的性能一并列出。
表1 1.06μm微片激光器件的輸出性能
對于表1所列的Nd:YAG晶體器件，由于采用的是側面泵浦方式所以晶體尺寸較大，其發射截面小的特點導致泵浦閾值高，轉換效率和斜效率都比較低，而且由于這種晶體吸收帶窄致使在提高泵浦功率的同時必須不斷調整激光二極管的溫度，以確保泵浦波長能夠始終對準Nd:YAG晶體的中心吸收波長，從而保證輸出功率和效率不致下降，但如此一來增加了調整的復雜性，且長此以往將會影響泵浦激光器的壽命。對于Nd:GdVO4晶體器件，為了減小熱載使用斬波器對泵浦光進行調制，但如此一來泵浦功率的利用率大大降低，僅為18.5％。對于YVO4-Nd:YVO4混晶器件，雖然添加了非摻雜晶體來降低熱致光學差，但光-光轉換效率仍然不高，為26.6％。對于Nd:LaB3O6晶體器件，其最高輸出功率僅為0.395W，雖然871nm鈦寶石激光泵浦與斬波器的使用使熱效應大為降低，激光輸出的光學轉換效率和斜效率顯著提高，但同時增加了整套裝置的尺寸和復雜性。與上述幾種微片激光器件相比，本發明所涉及的Nd:LuVO4晶體微片激光器件可以用目前最商品化的激光二極管作為泵浦源，不需使用斬波器等降熱措施，不需調整激光二極管溫度以對準晶體吸收峰(Nd:LuVO4晶體的吸收帶寬為8nm)，因而成本低，裝置簡單，調整便利，激光輸出的穩定性好，便于大規模、批量化生產。除此之外，由表一所列數據可知，與其它器件相比Nd:LuVO4微片激光器件尺寸小、泵浦閾值低、輸出功率大、光-光轉換效率高、斜效率高，因而極具競爭力。
采用摻其他激活離子的釩酸镥晶體制造的端面泵浦微片激光器件，以及釩酸镥晶體與非線性光學、調Q元器件組合構成的變頻、脈沖微片激光器件，同樣具有上述各種優點。
具體實施方式
實例1808nm半導體激光泵浦Nd3+激活的LuVO4晶體微片實現1065nm激光輸出。
Nd3+激活的LuVO4晶體在808nm附近有一強的吸收峰，吸收截面為69×10-20cm2，吸收峰帶寬達到8nm，在1065nm處有一發射峰，受激發射截面為146×10-20cm2，帶寬1.2nm。直接在Nd3+激活的LuVO4晶體微片的兩端面鍍上介質膜，使得靠近泵浦光源的入射端面在808nm處高透、1065nm處高反，出射端面在808nm處高反，1065nm處的透過率在0.3％到30％之間(根據泵浦光功率確定)。鍍膜后的微片便是一個808nm半導體激光垂直于入射端面泵浦，1065nm固體激光垂直于出射端面輸出的微片激光器件。
實例2808nm半導體激光泵浦Nd3+激活的LuVO4晶體微片實現1065nm激光輸出。
在Nd3+激活的釩酸镥晶體的一個端面鍍上808nm處高透、1065nm處高反的介質膜，而將另一面在808nm處高反、1065nm處部分透過(透過率T＝0.3％～30％)的介質膜鍍在腔鏡上，再將一面鍍膜的Nd3+激活的釩酸镥晶體微片與腔鏡構成激光器件，這便是一個808nm半導體激光端面泵浦，1065nm固體激光輸出的微片激光器件。該器件的兩面介質膜分別鍍在激光晶體與腔鏡上，而實施例1所述器件的兩面介質膜都鍍在激光晶體上，這是它們的主要差別。
實例3
808nm半導體激光泵浦Nd3+激活的LuVO4晶體微片實現腔內倍頻532.5nm綠色激光輸出。
直接將Nd3+激活的LuVO4晶體微片粘貼在倍頻1065nm的非線性光學晶體(如KTP、LBO、β-BBO、BiBO等)的一個端面上，在微片的另一端面，即靠近泵浦光的端面鍍上在808nm處高透、1065nm處高反的介質膜，在非線性光學晶體的另一端面鍍上在808nm和1065nm處高反、532.5nm處高透的介質膜。這便是一個808nm半導體激光垂直于入射端面泵浦，532.5nm綠色固體激光垂直于非線性光學晶體出射端面輸出的腔內倍頻微片激光器件。也可以將808nm和1065nm處高反、532.5nm處高透的介質膜鍍在腔鏡上，再將一面鍍808nm處高透、1065nm處高反介質膜的微片和非線性光學晶體的粘合體與腔鏡構成532.5nm輸出的腔內倍頻微片激光器件；或者不將微片與非線性光學晶體粘貼，可以實現同樣的目的。
實例4808nm半導體激光泵浦Nd3+激活的LuVO4晶體微片實現1065nm被動調Q脈沖激光輸出。
直接將Nd3+激活的LuVO4晶體微片與被動調Q片(如Cr4+:YAG、GaAs)粘貼，在微片的另一端面，即靠近泵浦光的端面鍍上在808nm處高透、1065nm處高反的介質膜，在被動調Q片的另一端面鍍上在808nm處高反、1065nm處的透過率在0.3％到30％之間(根據泵浦光功率確定)的介質膜。這便是一個808nm半導體激光垂直于入射端面泵浦，1065nm調Q脈沖激光垂直于被動調Q片出射端面輸出的被動調Q微片激光器件。也可以將808nm處高反、1065nm處部分透過的介質膜鍍在腔鏡上，再將一面鍍808nm處高透、1065nm處高反介質膜的微片和被動調Q片的粘合體與腔鏡構成1065nm輸出的被動調Q微片激光器件；或者不將微片與被動調Q片粘貼，可以實現同樣的目的。
實例5808nm半導體激光泵浦Nd3+激活的LuVO4晶體微片實現被動調Q腔內倍頻532.5nm綠色脈沖激光輸出。
直接將Nd3+激活的LuVO4晶體微片與被動調Q片(如Cr4+:YAG、GaAs)粘貼，再將被動調Q片的另一端面與倍頻1065nm的非線性光學晶體(如KTP、LBO、β-BBO、BiBO等)粘貼，在微片的另一端面，即靠近泵浦光的端面鍍上在808nm處高透、1065nm處高反的介質膜，在非線性激光晶體的另一端面鍍上在808nm和1065nm處高反、532.5nm處高透的介質膜。這便是一個808nm半導體激光垂直于入射端面泵浦，脈沖532.5nm綠色固體激光垂直于非線性光學晶體出射端面輸出的被動調Q腔內倍頻微片激光器件。也可以將808nm和1065nm處高反、532.5nm處高透的介質膜鍍在腔鏡上，再將一面鍍808nm處高透、1065nm處高反介質膜的微片、調Q片和非線性光學晶體的粘合體與腔鏡構成532.5nm脈沖激光輸出的被動調Q腔內倍頻微片激光器件。上述器件中不將微片與被動調Q片粘貼，可以實現同樣的目的；或者上述器件中不將被動調Q片與非線性光學晶體粘貼，可以實現同樣的目的；或者上述器件中既不將微片與被動調Q片粘貼，又不將被動調Q片與非線性光學晶體粘貼，可以實現同樣的目的。
實例6808nm半導體激光泵浦Nd3+激活的LuVO4晶體微片實現腔內和頻459nm藍色激光輸出。
通過控制Nd3+離子濃度和微片厚度，使得端面泵浦的808nm半導體泵浦激光在透過微片后仍有部分剩余光強，再利用非線性光學晶體將該剩余光強與微片激光和頻輸出459nm藍色激光。直接將Nd3+激活的LuVO4晶體微片粘貼在和頻1065nm與808nm的非線性光學晶體(如LBO、β-BBO、BiBO、KTP等)的一個端面上，在微片的另一端面，即靠近泵浦光的端面鍍上在808nm處高透、1065nm處高反的介質膜，在非線性光學晶體的另一端面鍍上在808nm和1065nm處高反、459nm處高透的介質膜。這便是一個808nm半導體激光垂直于入射端面泵浦，459nm藍色固體激光垂直于非線性光學晶體出射端面輸出的腔內和頻微片激光器件。也可以將808nm和1065nm處高反、459nm處高透的介質膜鍍在腔鏡上，再將一面鍍808nm處高透、1065nm處高反介質膜的微片和非線性光學晶體的粘合體與腔鏡構成459nm藍色激光輸出的腔內和頻微片激光器件；或者不將微片與非線性光學晶體粘貼，可以實現同樣的目的。
權利要求
1.一種摻激活離子的釩酸镥晶體微片激光器件，其特征在于，用摻激活離子的釩酸镥晶體作為激光介質制造端面泵浦微片激光器件，并可與非線性光學、調Q元器件組合構成變頻、脈沖激光器件。
2.根據權利要求1所述的摻激活離子的釩酸镥晶體微片激光器件，其特征在于，所述的激光介質為RxLu1-xVO4晶體，其中0＜x≤1，R3+激活離子是根據泵浦源、激光腔和應用需要確定的，它是部分或完全替代晶體基質中Lu3+離子位置的某種稀土離子，可以是R＝Nd、Ho、Er、Tm、Yb。
3.根據權利要求1所述的摻激活離子的釩酸镥晶體微片激光器件，其特征在于，在釩酸镥晶體兩端面直接鍍上有利于端面泵浦、激光諧振和激光輸出的介質膜，利用半導體或其他類型激光端面泵浦輸出固體激光。
4.根據權利要求1所述的摻激活離子的釩酸镥晶體微片激光器件，其特征在于，在釩酸镥晶體的一個端面鍍上有利于端面泵浦、激光諧振的介質膜，而將另一面有利于激光輸出的介質膜鍍在腔鏡上，再將一面鍍膜的釩酸镥晶體微片與腔鏡構成激光器件。
5.根據權利要求1所述的摻激活離子的釩酸镥晶體微片激光器件，其特征在于，將釩酸镥晶體微片的一個端面與用作倍頻的非線性光學晶體的一個端面粘貼，再將釩酸镥晶體微片的另一個端面和非線性光學晶體的另一個端面鍍上有利于端面泵浦、激光諧振、腔內倍頻和倍頻激光輸出的介質膜，利用半導體或其他類型激光端面泵浦輸出腔內倍頻激光。
6.根據權利要求1所述的摻激活離子的釩酸镥晶體微片激光器件，其特征在于，將釩酸镥晶體微片的一個端面與調Q片的一個端面粘貼，再將釩酸镥晶體微片的另一個端面和調Q片的另一個端面鍍上有利于端面泵浦、激光諧振和脈沖激光輸出的介質膜，利用半導體或其他類型激光端面泵浦輸出被動調Q脈沖激光。
7.根據權利要求1所述的摻激活離子的釩酸镥晶體微片激光器件，其特征在于，將釩酸镥晶體微片的一個端面與調Q片的一個端面粘貼，再將調Q片的另一端面與用作倍頻的非線性光學晶體的一個端面粘貼，釩酸镥晶體微片的另一個端面和非線性光學晶體的另一個端面鍍上有利于端面泵浦、激光諧振、腔內倍頻和倍頻脈沖激光輸出的介質膜，利用半導體或其他類型激光端面泵浦輸出被動調Q腔內倍頻脈沖激光。
8.根據權利要求1所述的摻激活離子的釩酸镥晶體微片激光器件，其特征在于，采用適當激活離子濃度和通光厚度的釩酸镥晶體微片，使得端面泵浦的泵浦激光透過釩酸镥晶體微片后仍有部分光強，該光強與腔內諧振激光在非線性光學晶體中進行和頻作用；先將釩酸镥晶體微片的一個端面與用作和頻的非線性光學晶體的一個端面粘貼，再將釩酸镥晶體微片的另一個端面和非線性光學晶體的另一個端面鍍上有利于端面泵浦、激光諧振、腔內和頻以及和頻激光輸出的介質膜，利用半導體或其他類型激光端面泵浦輸出腔內和頻激光。
9.根據權利要求5或6或7或8所述的摻激活離子的釩酸镥晶體微片激光器件，其特征在于，將其中一面介質膜鍍在腔鏡上，再將一面鍍膜的釩酸镥晶體微片和其他光學元件的粘合體與腔鏡構成激光器件。
全文摘要
本發明涉及一種用摻激活離子的釩酸镥晶體制造的微片激光器件，屬于激光晶體和器件領域。本發明的主要內容是用釩酸镥晶體作為激光介質制造端面泵浦微片激光器件，并可與非線性光學、調Q元器件組合構成變頻、脈沖激光器件。它解決了現有技術存在的激光器件尺寸大、裝置復雜、輸出功率小、轉換效率低的問題。本發明具有簡單、緊湊、閾值低、輸出功率大、穩定性好、轉換效率高、光束質量好等優點，且操作簡單、成本低，便于工業化的大批量生產。
文檔編號H01S3/11GK1832276SQ20061004359
公開日2006年9月13日 申請日期2006年4月14日 優先權日2006年4月14日
發明者王正平, 張懷金, 許心光, 邵宗書, 王繼揚 申請人:山東大學