專利名稱：中紅外寬譜可調(diào)諧激光增益介質(zhì)構(gòu)建的激光輸出實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及全固態(tài)激光器領(lǐng)域，尤其涉及一種基于中紅外寬譜可調(diào)諧激光增益介質(zhì)雙摻雜二價鉻與鈷離子IIVI晶體構(gòu)建的激光輸出實驗裝置。
背景技術(shù)：
隨著各種光學(xué)測試技術(shù)的發(fā)展，對于用途廣泛、價格低廉的中紅外激光器的需求正日益增加。中紅外激光器的波長可以覆蓋“分子指紋區(qū)”，它有著廣泛的用途，包括大氣遙感測試、非傷害性醫(yī)學(xué)診斷、激光雷達(dá)、石油勘探以及各種諸如目標(biāo)標(biāo)定、故障排除和紅外線對抗等軍事應(yīng)用?？梢詫崿F(xiàn)中紅外波段激光輸出的激光器主要有C02氣體激光器，其輸出波長10 12 μ m、鉛鹽異質(zhì)節(jié)激光器其輸出波長3 30 μ m、量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器其輸出波長大于或等于3. 7 μ m，或者通過相對復(fù)雜的非線性光學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)來實現(xiàn)中紅外波段激光輸出的光源，如差頻振蕩激光器(DFG)、光參量振蕩激光器(OPO)等。但是以上的中紅外激光光源都遇到了限制其作為堅固耐用、低成本中紅外激光光源使用的基本問題，如CO2氣體激光器設(shè)備復(fù)雜且巨大，差頻振蕩激光器與光參量振蕩激光器等都需要使用昂貴的光學(xué)器件，且也不穩(wěn)定；鉛鹽異質(zhì)節(jié)激光器與量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器的激光輸出功率較低。因此，迄今為止，以上所述激光器存在的缺陷使之尚不能在諸如遙感測試等高功率的應(yīng)用中被使用。與上述激光器光源形成對比的是，基于過渡金屬離子(TM2+)摻雜的IIVI晶體ZnS、ZnSe, CdS以及CdSe等的全固態(tài)激光器正逐漸成為寬譜可調(diào)諧、高功率、高穩(wěn)定性中紅外激光光源。對過渡金屬離子(TM2+)，如Cr2+、Co2+、Fe2+摻雜的I1-VI晶體的詳細(xì)研究始于上世紀(jì)60年代。過渡金屬離子進(jìn)入半導(dǎo)體后在其能隙中會形成深能級，而且還會出現(xiàn)多重價態(tài)，因此早期的研究中將這種雜質(zhì)離子看作熒光“克星”。這也是盡管過渡金屬離子摻雜的I1-VI晶體引起了人們相當(dāng)大的興趣，但其激光效應(yīng)卻是到上世紀(jì)90年代才有報道的原因。在20世紀(jì)90年代中期,美國Lawrence Livermore國家實驗室的De Loach等人(L.D.DeLoachj R. H. Page, G. D. Wilke, S. A. Payne, W. F. Krupkej Transition metal-dopedzinc chalcogenides: Spectroscopy and laser demonstration of a new class of gainmedia, Journal Name:1EEE Journal of Quantum Electronics; Journal Volume: 32;Journal Issue: 6; Other Information: PBD: Jun 1996，(1996) Medium: X; Size:PP. 885-895.)最先報道了過渡金屬離子摻雜的I1-VI晶體研究的突破性進(jìn)展他們研究了 Cr2+、Co2+、Ni2+和Fe2+摻雜的各種鋅硫族化合物的吸收與發(fā)射特性，認(rèn)為此類化合物很有希望成為中紅外激光介質(zhì)的潛質(zhì)，并且基于Cr2+:ZnSe和Cr2+:ZnS做成了激光器,在室溫下實現(xiàn)了 2.4 μ m的激光輸出。類似于摻鈦藍(lán)寶石激光器，過渡金屬離子摻雜的I1-VI晶體激光器將能夠通過多種多樣的振蕩方式發(fā)光，并且具有可用InGaAsP或InGaNAs 二極管陣列的直接泵浦等優(yōu)點。Cr2+、Co2+、Fe2+離子的光譜范圍分別是是2 3 μπι、2. 6 4 μ m和3. 7 5. 2 μ m，具有較寬的可調(diào)諧范圍。這類激光器發(fā)出的光源代表了現(xiàn)在最簡單、最實惠的中紅外激光光源。盡管對于過渡金屬離子摻雜的I1-VI晶體激光器已經(jīng)有了較為深入的研究，但是利用雙摻雜或多摻雜過渡金屬離子摻進(jìn)I1-VI晶體作為激光增益介質(zhì)以增大激光器可調(diào)諧激光輸出范圍的研究卻鮮有涉及。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的就是要提供一種基于中紅外寬譜可調(diào)諧激光增益介質(zhì)構(gòu)建的激光輸出實驗裝置。該實驗裝置采用雙摻雜二價鉻與鈷離子IIVI晶體作為激光輸出介質(zhì)，能實現(xiàn)1. 6 4. 2 μ m中紅外寬光譜波段可調(diào)諧的激光輸出。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型是采用以下技術(shù)措施構(gòu)成的技術(shù)方案來實現(xiàn)的。本實用新型基于中紅外寬譜可調(diào)諧激光增益介質(zhì)雙摻雜二價鉻與鈷離子IIVI晶體構(gòu)建的激光輸出實驗裝置，包括激光泵浦源、泵浦光束、密封箱、密封通光孔、輸入腔鏡、激光增益介質(zhì)、輸出腔鏡、輸出激光光束；從激光泵浦源輸出的泵浦光束通過密封箱的密封通光孔進(jìn)入輸入腔鏡，泵浦光束經(jīng)輸入腔鏡到達(dá)激光增益介質(zhì)，然后到達(dá)輸出腔鏡，經(jīng)輸出腔鏡的激光再經(jīng)密封通光孔輸出中紅外寬譜可調(diào)諧激光光速。上述方案中，所述激光增益介質(zhì)為二價鉻與鈷離子雙摻雜I1-VI晶體，其化學(xué)式是 Cr2+, Co2+:11-VI 。上述方案中，所述I1-VI晶體為ZnS、或ZnSe、或ZnTe、或CdS、或CdSe、或CdTe晶體。上述方案中，所述二價鉻與鈷離子，兩種摻雜離子的濃度分別為Cr2+為IXlO18cm—3 到 I X IO20 cm—3、Co2+ 為 I X IO18 cm—3 到 I X IO20 cm—3。上述方案中，所述激光泵浦源其輸出波長為1. 4 1.85 ym的泵浦光束。上述方案中，所述中紅外寬譜可調(diào)諧輸出光束的波長是1. 6 4. 2 μ m。本實用新型的激光輸出實驗裝置中，為使泵浦光束全透過而輸出激光全反射，所述的輸入腔鏡需鍍膜；為使輸出激光光束90%以上反射，所述的輸出腔鏡也需鍍膜。本實用新型首先是對中紅外可調(diào)諧激光增益介質(zhì)雙摻雜二價鉻與鈷離子IIVI晶體的制備，利用安瓿雙端置摻雜物真空熱擴散傳輸法或晶體雙面鍍摻雜物薄膜真空熱擴散傳輸法制備雙摻雜二價鉻與鈷離子IIVI晶體，兩種方法的制備描述如下本實用新型利用安瓿雙端置摻雜物真空熱擴散傳輸法制備雙摻雜二價鉻與鈷離子IIVI晶體，包括以下具體工藝步驟(I)將IIVI晶體為ZnS晶體薄圓片，置于由中間大、兩端小的由三截石英管組成的石英安瓿中間，取單質(zhì)Co粉末與單質(zhì)Cr粉末分別置于石英安瓿的兩端，且Co與Cr兩種單質(zhì)粉末各自與ZnS晶體薄圓片之間的距離相等；(2)將步驟(I)所述三截石英管組成的石英安瓿利用氫氧焰高溫粘合在一起，并將其抽真空為10_3 10_5Pa后密封；(3)將步驟(2)密封好的石英安瓿放置于由多組加熱棒加熱的高溫爐中，在溫度為700 1300°C的條件下，熱擴散I 15天，即得雙摻雜二價鉻與鈷離子Cr2+，Co2+ = ZnS晶體激光增益介質(zhì)樣品；(4)最后將步驟(3)摻雜完成的二價鉻與鈷離子Cr2+，Co2+:ZnS晶體激光增益介質(zhì)樣品進(jìn)行拋光、切割，即獲得中紅外寬譜可調(diào)諧激光增益介質(zhì)雙摻雜Cr2+，Co2+:ZnS晶體。本實用新型利用晶體雙面鍍鉻薄膜和鈷薄膜真空熱擴散法制備雙摻雜二價鉻與鈷離子IIVI晶體，包括以下具體工藝步驟(I)利用濺射法或蒸鍍法在IIVI晶體為ZnS晶體薄圓片的兩晶面分別鍍上單質(zhì)Co薄膜與單質(zhì)Cr薄膜，其兩晶面鍍薄膜厚度為100 500nm ；(2)將步驟(I)已鍍好薄膜的ZnS晶體薄圓片放入石英安瓿中，并將其抽真空為10-3 IO-5Pa后密封；(3)將步驟(2)密封好的石英安瓿放置于由多組加熱棒加熱的高溫爐中，在溫度為700 1300°C的條件下，熱擴散I 15天，即獲得雙摻雜二價鉻與鈷離子Cr2+，Co2+ = ZnS晶體激光增益介質(zhì)樣品；(4)最后將步驟(3)摻雜完成的二價鉻與鈷離子Cr2+，Co2+:ZnS晶體激光增益介質(zhì)樣品進(jìn)行拋光、切割，即獲得中紅外寬譜可調(diào)諧激光增益介質(zhì)雙摻雜Cr2+，Co2+: ZnS晶體。本實用新型采用上述制備方法同樣可獲得雙摻雜Cr2+，C02+:ZnSe晶體和Cr2+, Co2+:CdS 晶體，Cr2+, Co2+:ZnTe 晶體和 Cr2+, Co2+:CdTe 晶體等。
本實用新型所具有的特點及有益的技術(shù)效果如下本實用新型激光輸出實驗裝置利用二價鉻與鈷離子雙摻雜II VI晶體激光增益介質(zhì)，獲得了理想的中紅外寬波段可調(diào)諧激光輸出；其獲得雙摻雜IIVI晶體增益介質(zhì)的方法工藝步驟簡單，易于操作與實現(xiàn)；具有中紅外寬譜波段可調(diào)諧激光增益介質(zhì)的Cr2+和Co2+雙摻雜IIVI晶體構(gòu)建的激光輸出實驗裝置，可輸出1. 6 4. 2μπι中紅外寬譜可調(diào)諧激光；從而可大幅度增大激光器可調(diào)諧激光輸出范圍。

圖1本實用新型基于中紅外寬譜可調(diào)諧激光增益介質(zhì)二價鉻與鈷離子雙摻雜IIVI晶體構(gòu)建的激光輸出實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，I激光泵浦源，2泵浦光束，3密封通光孔，4密封箱，5輸入腔鏡，6激光增益介質(zhì)，7輸出腔鏡，8輸出激光光束。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖并用具體實施例對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但并不意味著是對本實用新型保護內(nèi)容的任何限定。本實用新型基于中紅外寬譜可調(diào)諧激光增益介質(zhì)雙摻雜二價鉻與鈷離子II VI晶體構(gòu)建的激光輸出實驗裝置，如圖1所示，包括激光泵浦源1，泵浦光束2，密封箱4，密封通光孔3,輸入腔鏡5,激光增益介質(zhì)6,輸出腔鏡7,輸出激光光束8 ;從激光泵浦源I輸出的泵浦光束2通過密封箱4的密封通光孔3進(jìn)入輸入腔鏡5，泵浦光束2經(jīng)輸入腔鏡5后到達(dá)由雙摻雜二價鉻與鈷離子IIVI晶體的激光增益介質(zhì)，然后到達(dá)輸出腔鏡7，經(jīng)輸出腔鏡7的激光再經(jīng)密封通光孔3輸出中紅外寬譜可調(diào)諧激光光束8。實施例本實例基于中紅外寬譜可調(diào)諧激光增益介質(zhì)雙摻雜二價鉻與鈷離子II VI晶體構(gòu)建的激光輸出實驗裝置，以Cr2+，Co2+:ZnS晶體為例作為激光增益介質(zhì)用于構(gòu)建該激光輸出實驗裝置中，對獲得的優(yōu)質(zhì)Cr2+，Co2+: ZnS晶體進(jìn)行吸收光譜和發(fā)射光譜的研究。確定具體Cr2+，Co2+: ZnS晶體的泵浦波長為1. 55 μ m、Cr2+，Co2+: ZnS晶體的發(fā)射波長是1. 6 3. 7μ m。 選擇由輸入腔鏡5，Cr2+, Co2+: ZnS晶體的激光增益介質(zhì)6，激光輸出腔鏡7構(gòu)成的凹凹腔作為激光諧振腔，采用半導(dǎo)體激光器(LD)作為泵浦源進(jìn)行泵浦，實現(xiàn)1. 6 3. 7 μ m的可調(diào)諧中紅外激光輸出。以輸出激光的波長2. 9μπι為例，設(shè)計出激光諧振腔系統(tǒng)。如圖1所示，激光泵浦源I其波長是1. 55 μ m，泵浦光束2，輸入腔鏡5，其對1.55 μ m全透過，對2. 9 μ m波長光全反射，Cr2+，Co2+: ZnS晶體為增益介質(zhì)6，輸出腔鏡7，其對2. 9 μ m波長90%反射，輸出激光8其波長為2. 9 μπι。值得注意的是，當(dāng)選擇輸出波長為2. 9μπι附近時，處于水的強吸收帶，因此激光實驗裝置中需要排除水氣對激光諧振腔的影響，可將激光諧振腔置于真空中，或充保護氣體于密封箱4中排除此影響。
權(quán)利要求1.一種中紅外寬譜可調(diào)諧激光增益介質(zhì)構(gòu)建的激光輸出實驗裝置，其特征在于包括激光泵浦源(I)、泵浦光束(2)、密封箱(4)、密封通光孔(3)、輸入腔鏡(5)、激光增益介質(zhì)(6 )、輸出腔鏡(7 )、輸出激光光束(8 );從激光泵浦源(I)輸出的泵浦光束(2 )通過密封箱(4)的密封通光孔(3)進(jìn)入輸入腔鏡(5)，泵浦光束(2)經(jīng)輸入腔鏡(5)到達(dá)激光增益介質(zhì)(6)，然后到達(dá)輸出腔鏡(7)，經(jīng)輸出腔鏡(7)的激光再經(jīng)密封通光孔(3)輸出中紅外寬譜可調(diào)諧激光光束(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述激光輸出實驗裝置，其特征在于所述激光增益介質(zhì)(6)為二價鉻與鈷離子雙摻雜I1-VI晶體，其化學(xué)式是Cr2+，Co2+:11-VI。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述激光輸出實驗裝置，其特征在于所述I1-VI晶體為ZnS、或ZnSe、或 ZnTe、或 CdS、或 CdSe、或 CdTe 晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述激光輸出實驗裝置，其特征在于所述二價鉻與鈷離子，其摻雜離子的濃度為 Cr2+ 為 I X IO18 CnT3 I X IO20 cnT3，Co2+ 為 I X IO18 cnT3 I X IO20 cnT3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述激光輸出實驗裝置，其特征在于所述激光泵浦光源(I)其輸出波長為1. 4 1. 85 μ m的泵浦光束(2)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述激光輸出實驗裝置，其特征在于所述中紅外寬譜可調(diào)諧輸出激光光束(8)的波長是1. 6 4.2 μ m。
專利摘要本實用新型涉及一種中紅外寬譜可調(diào)諧激光增益介質(zhì)構(gòu)建的激光輸出實驗裝置，屬于全固態(tài)激光介質(zhì)領(lǐng)域。該實驗裝置包括激光泵浦源、泵浦光束、密封箱、密封通光孔、輸入腔鏡、激光增益介質(zhì)、輸出腔鏡、輸出激光光束。本實用新型激光輸出實驗裝置采用雙摻雜二價鉻與鈷離子Ⅱ-Ⅵ晶體作為激光增益輸出介質(zhì)，即將制備好的雙摻雜二價鉻與鈷離子Ⅱ-Ⅵ晶體激光增益介質(zhì)置于實驗裝置中的激光諧振腔系統(tǒng)中，并用泵浦波長為1.4～1.85μm泵浦源泵浦，即能實現(xiàn)1.6～4.2μm中紅外寬光譜可調(diào)諧激光輸出實驗裝置。
文檔編號H01S3/16GK202872171SQ20122052813
公開日2013年4月10日 申請日期2012年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月16日
發(fā)明者馮國英, 易家玉, 周壽桓 申請人:四川大學(xué)