專利名稱：半導(dǎo)體激光器泵浦的中紅外固體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及全固態(tài)激光器，特別是一種半導(dǎo)體激光器泵浦的中紅外固體激光器。
背景技術(shù)：
日益發(fā)展的環(huán)境、工程、醫(yī)學(xué)、生物和化學(xué)等學(xué)科，使得1～3μm超短脈沖和金屬摻雜晶體超寬帶連續(xù)激光器獲得了巨大的進(jìn)步。金屬離子摻雜的超寬脈沖中紅外固體激光器越來(lái)越多的應(yīng)用在氣體檢測(cè)、遙感、通信、眼科醫(yī)學(xué)、神經(jīng)外科等領(lǐng)域。
超寬吸收波段的摻鉻硒化鋅Cr:ZnSe晶體具有一些很顯著的特點(diǎn)高的發(fā)射截面σem＝1.3×10-18cm2，可以忽略的激發(fā)態(tài)吸收，非常好的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性，與藍(lán)寶石相近的熱傳導(dǎo)系數(shù)。這些特點(diǎn)使得這種材料作為二極管直接泵浦的中紅外激光器和放大器的增益介質(zhì)有很大的潛力。Cr2+:ZnSe具有高的發(fā)射截面，短的輻射壽命，小的晶體分裂區(qū)域，其中心波長(zhǎng)在紅外區(qū)域，在1.8μm附近有寬的吸收帶，發(fā)射帶寬在2～3.4μm之間。
Cr2+ZnSe激光器獲得激光輸出，泵浦光源的選擇是至關(guān)重要的。因?yàn)镃r2+離子的吸收峰在1.75μm附近，而目前在這一波段能夠提供有效泵浦的激光器屈指可數(shù)，這些泵浦光源主要有調(diào)諧范圍在1.6～2.1μm的Co2+:MgF2激光器，1.9～2.1μm的摻Tm3+，Ho3+激光器，～1.6μm的摻鉺激光器，～1.6μm的NaCl:OH色心激光器，～1.6μm的拉曼頻移Nd:YAG激光器，～1.6μm的拉曼光纖激光器，1.6～1.9μm的InGaAsP/InP半導(dǎo)體激光器。
目前半導(dǎo)體激光器陣列直接泵浦的Cr:ZnSe激光器面臨一個(gè)顯著的矛盾直接使用半導(dǎo)體激光器泵浦時(shí)，國(guó)內(nèi)可獲得的半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)小于1.6μm，泵浦光在ZnSe晶體中的增益系數(shù)小，因而激光輸出功率比較低。而使用其它波長(zhǎng)相對(duì)較大的激光器泵浦時(shí)，在功率提高的同時(shí)必然導(dǎo)致激光器整體體積的增大而喪失其部分優(yōu)勢(shì)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種半導(dǎo)體激光器泵浦的中紅外固體激光器，該激光器應(yīng)具有成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)，有效地解決目前ZnSe激光器面臨的矛盾。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種半導(dǎo)體激光器泵浦的中紅外固體激光器，在一光路上依次由半導(dǎo)體激光器、聚焦透鏡、輸入鏡、激光介質(zhì)、輸出鏡組成，其特征在于所述的激光介質(zhì)是由摻銩鋁酸釔(以下簡(jiǎn)稱為Tm:YAP)晶體和摻鉻硒化鋅(以下簡(jiǎn)稱為Cr:ZnSe晶體鍵合在一起構(gòu)成的鍵合晶體，所述的摻銩鋁酸釔晶體和摻鉻硒化鋅晶體的連接界面與該激光器諧振腔的軸線方向成布儒斯特角。
所述的摻銩鋁酸釔晶體的輸入端面鍍?cè)鐾改ぃ?.5％@790nm，含義是該增透膜是中心波長(zhǎng)在790nm，反射率小于0.5％(以下相同，恕不重復(fù))；所述的摻鉻硒化鋅晶體的輸出端面鍍?cè)鐾改ぃ?.5％@2400nm。
所述的輸入鏡鍍膜＜0.5％@790nm，＞99.5％@1900nm&2400nm，該膜層具有對(duì)790nm增透，反射率小于0.5％，對(duì)1900nm和2400nm波長(zhǎng)高反，反射率大于99.5％。所述的輸出鏡鍍高反膜99.5％@790nm&1900nm，95％@2400nm。
所述的鍵合晶體置于一半導(dǎo)體制冷模塊中。
所述的Tm:YAP晶體和Cr:ZnSe晶體的連接面，加工成布儒斯特角，以保證Tm:YAP晶體產(chǎn)生的1900nm的激光充分進(jìn)入Cr:ZnSe晶體里。
所述的布儒斯特角是根據(jù)布儒斯特定律確定的，光從折射率為n1的介質(zhì)射向折射率為n2的介質(zhì)時(shí)，當(dāng)入射角滿足tan ib＝n2/n1時(shí)，即入射角為布儒斯特角時(shí)，反射光就變?yōu)檎駝?dòng)方向垂直于入射面的完全偏振光，而折射光仍為部分偏振光。
在輸入鏡上鍍高反膜(99.5％@2400nm)，在輸出鏡上鍍高反膜(95％@2400nm)，這樣保證了波長(zhǎng)2400nm的激光在輸入鏡和輸出鏡之間形成振蕩。為保證2400nm波長(zhǎng)激光在Cr:ZnSe晶體的出射，在晶體的輸出端面鍍?cè)鐾改?＜0.5％@2400nm)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1、可以直接使用普通波長(zhǎng)790nm、808nm的InGaAsP/InP半導(dǎo)體激光器作為Cr:ZnSe晶體的泵浦源，而不必?fù)?dān)心其波長(zhǎng)在Cr:ZnSe晶體中增益系數(shù)低的問(wèn)題。
2、將摻雜Tm2+的YAP晶體和摻雜Cr2+的ZnSe晶體通過(guò)擴(kuò)散鍵合的方法連接在一起，實(shí)現(xiàn)了1900nm和2400nm激光放大，泵浦光和激光在同一個(gè)諧振腔內(nèi)振蕩，使得激光器結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。
3、本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、光能利用率高等優(yōu)點(diǎn)，有效地提高了半導(dǎo)體激光器直接泵浦Cr:ZnSe激光器的輸出功率。
圖1，本發(fā)明實(shí)施例的激光器光路圖。
圖2，本發(fā)明實(shí)施例的晶體連接圖。
圖3，本發(fā)明實(shí)施例中Tm:YAP晶體的三視圖(正視、俯視、左視圖)。
圖4，本發(fā)明實(shí)施例中Cr:ZnSe晶體的三視圖(正視、俯視、左視圖)。
圖5，本發(fā)明實(shí)施例中的制冷模塊立體圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明實(shí)施例的激光器光路圖。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明半導(dǎo)體激光器泵浦的中紅外固體激光器，在一光路上依次由半導(dǎo)體激光器1、聚焦透鏡2、平面輸入鏡3、激光介質(zhì)4、平面輸出鏡5組成，其特征在于所述的激光介質(zhì)4是由摻銩鋁酸釔晶體和摻鉻硒化鋅晶體鍵合在一起構(gòu)成的鍵合晶體，摻銩鋁酸釔晶體和摻鉻硒化鋅晶體的連接界面與所述的諧振腔的軸線方向成布儒斯特角。
將兩塊激光晶體連接面加工成特定角度的平面，使得1900nm的泵浦光通過(guò)晶體界面時(shí)，大部分光通過(guò)折射進(jìn)入Cr:ZnSe晶體中。1900nm波長(zhǎng)在Tm:YAP晶體中的折射率為n1＝1.9，在Cr:ZnSe晶體中的折射率為n2＝2.4，根據(jù)布儒斯特定律入射角為tan ib＝n2/n1，得到兩塊激光晶體的鍵合面與軸線方向的夾角為38.4°，ZnSe晶體輸出端面角度為76.7°，激光垂直于Cr:ZnSe晶體端面出射。如圖2所示。
鍵合后的復(fù)合激光晶體兩端面和輸入、輸出鏡面上進(jìn)行鍍膜處理1.Tm:YAP晶體輸入端面鍍?cè)鐾改ぃ?.5％@790nm2.Cr:ZnSe晶體輸出端面鍍?cè)鐾改ぃ?.5％@2400nm3.輸入鏡鍍膜＜0.5％@790nm，＞99.5％@1900nm&2400nm4.輸出鏡鍍高反膜99.5％@790nm&1900nm，95％@2400nm所述的鍵合晶體置于一半導(dǎo)體制冷模塊中。使用半導(dǎo)體制冷模塊對(duì)晶體進(jìn)行冷卻控溫，代替了龐大的水冷系統(tǒng)使用兩塊半圓形槽紫銅熱沉，將晶體放置在中間的圓形槽中，熱沉中打孔放置熱敏電阻或熱電偶對(duì)晶體溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，熱沉下方通過(guò)導(dǎo)熱硅膠粘接熱電制冷片，并通過(guò)螺釘與熱端的散熱片固定，如圖5所示。鍵合晶體放置在圓形槽中，上熱沉6、下熱沉7通過(guò)螺釘將晶體固定在中間，熱電制冷片8對(duì)熱沉進(jìn)行制冷，熱量通過(guò)散熱片9傳輸?shù)街車諝庵校瑹岢林蟹胖脽犭娕?0對(duì)晶體溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)熱電制冷控制器對(duì)熱電制冷片進(jìn)行控制，將晶體溫度控制在20℃附近。泵浦光源使用波長(zhǎng)為790nm或808nm的InGaAsP/InP半導(dǎo)體激光器陣列，輸出功率40W，條形光斑經(jīng)過(guò)透鏡2壓縮后透過(guò)輸入平面鏡3聚焦到Tm:YAP晶體前端面，激勵(lì)Tm:YAP晶體中的Tm3+，得到1900nm的激光輸出。該1900nm的激光作為Cr:ZnSe晶體的泵浦光源，激勵(lì)Cr2+離子，得到2400nm波長(zhǎng)的激光輸出，從Cr:ZnSe晶體輸出端面垂直出射，并在輸出鏡5和輸入鏡3之間振蕩放大，并可選擇以1～10％比例的輸出。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體激光器泵浦的中紅外固體激光器，在一光路上依次由半導(dǎo)體激光器(1)、聚焦透鏡(2)、平面輸入鏡(3)、激光介質(zhì)(4)、平面輸出鏡(5)組成，其特征在于所述的激光介質(zhì)(4)是由摻銩鋁酸釔晶體和摻鉻硒化鋅晶體鍵合在一起構(gòu)成的鍵合晶體，摻銩鋁酸釔晶體和摻鉻硒化鋅晶體的連接界面與所述的諧振腔的軸線方向成布儒斯特角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中紅外固體激光器，其特征是所述的摻銩鋁酸釔晶體的輸入端面鍍?cè)鐾改ぃ?.5％@790nm；所述的摻鉻硒化鋅晶體的輸出端面鍍?cè)鐾改ぃ?.5％@2400nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中紅外固體激光器，其特征是所述的輸入鏡(3)鍍膜＜0.5％@790nm，＞99.5％@1900nm&2400nm，所述的輸出鏡(5)鍍高反膜99.5％@790nm&1900nm，95％@2400nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中紅外固體激光器，其特征是所述的鍵合晶體置于一半導(dǎo)體制冷模塊中。
全文摘要
一種半導(dǎo)體激光器泵浦的中紅外固體激光器，在一光路上依次由半導(dǎo)體激光器、聚焦透鏡、輸入鏡、激光介質(zhì)、輸出鏡組成，其特征在于所述的激光介質(zhì)是由摻銩鋁酸釔(以下簡(jiǎn)稱為Tm:YAP)晶體和摻鉻硒化鋅(以下簡(jiǎn)稱為Cr:ZnSe晶體鍵合在一起構(gòu)成的鍵合晶體，所述的摻銩鋁酸釔晶體和摻鉻硒化鋅晶體的連接界面與該激光器諧振腔的軸線方向成布儒斯特角。本發(fā)明在保持ZnSe激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)的同時(shí)有效地提高了輸出功率。
文檔編號(hào)H01S3/06GK101060228SQ20071004050
公開(kāi)日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2007年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月10日
發(fā)明者楊勇, 徐劍秋 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所