一种利用GaN激光二极管泵浦稀土离子掺杂钽铌酸盐实现可见激光的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用GaN激光二极管泵浦稀土离子掺杂钽铌酸盐实现可见激光的方法，该方法以声子能量低且晶体对称性低的氧化物材料钽酸盐(RETaO4)和铌酸盐(RENbO4)的单晶为基质，以Pr3+、Sm3+、Dy3+作为激活离子作为激光工作物质，用GaN激光二极管作为泵浦源来获得新型的全固态可见激光基频光源。对于以此技术方案获得的可见波段基频激光，可采用LBO、KTP、BBO等非线性晶体进行倍频，从而获得紫外或深紫外波段的全固态激光，对于获得新波段紫外激光、提高紫外固体激光的效率、功率等具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及GaN激光二极管泵浦稀土离子掺杂钽铌酸盐可见激光新通道，属于激光晶体和固体激光

技术介绍
可见光波段激光在材料加工、激光显示、资源探测、特殊通信、医疗等领域具有重要的应用前景。目前利用激光晶体实现可见激光的主要方法是通过非线性光学变频技术将近红外激光转变为可见激光。这种技术不是由激光二极管(简称LD)直接泵浦产生，因此激光效率低，且系统结构复杂，性价比偏低，限制了它的应用范围和领域。得益于全球LED照明革命的巨大推动，近年来GaNLD有了长足的发展，商品化的蓝光LD功率已经达到瓦级，价格也已降到了百元左右/瓦，这为用GaNLD直接泵浦激光晶体产生可见激光提供了新的可行途径，使全固态可见激光的研究和应用进入一个全新阶段。目前已报道的采用GaNLD直接泵浦获得可见激光的稀土离子仅有Pr3+、Dy3+、Sm3+三种，早期Pr3+的可见激光研究主要集中在声子能量低的氟化物晶体如LiYF4、LiGdF4、KYF4、KY3F10、LiLuF4等，虽然掺Pr3+氟化物的研究取得了较快的发展，但氟化物的化学稳定性和机械强度较差，这给实际应用带来了很大困难，氧化物与氟化物相比，虽然其声子能量较高，会增加受激辐射的难度，但其具有更好的化学稳定性和机械强度，有更大的实际应用价值，因此，研究Pr3+掺杂氧化物的可见激光更具应用潜力。现今，实现Pr3+、Dy3+、Sm3+可见激光输出的为声子能量较低的氧化物晶体，仅有YAG、LuAP、YAP、Mg:SrAl12O19几种。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种利用GaN激光二极管泵浦Pr3+、Dy3+、Sm3+掺杂钽铌酸盐实现可见激光的方法，该方法克服了氟化物的化学稳定性和机械强度较差，使用困难等问题，提供了更多氧化物基质材料，提高了紫外固体激光的效率、功率。本专利技术所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种利用GaN激光二极管泵浦稀土离子掺杂钽铌酸盐实现可见激光的方法，它包括：(1)于钽酸盐激光晶体基质、铌酸盐激光晶体基质中掺杂激活离子，继而成为钽酸盐激光晶体和铌酸盐激光晶体；(2)根据激活离子的激光泵浦通道的吸收波长，选择工作波长和激活离子相匹配的GaN激光二极管作为泵浦源；(3)对掺杂激活离子的钽酸盐激光晶体和铌酸盐激光晶体进行泵浦，继而可实现可见光激光输出。进一步，所述钽酸盐激光晶体基质包括ScTaO4、YTaO4、LaTaO4、LuTaO4、GdTaO4；铌酸盐激光晶体基质包括ScNbO4、YNbO4、LaNbO4、LuNbO4、GdNbO4；且所述钽酸盐激光晶体基质和铌酸盐激光晶体基质记为REMO4，其中REMO4代表激光晶体基质中的任何一种。进一步，所述激活离子为Pr3+、Dy3+、Sm3+中之一，且激活离子用于取代激光晶体基质中Sc、Y、La、Lu、Gd所占的格位，从而分别构成激光晶体Pr3+:REMO4、Dy3+:REMO4、Sm3+:REMO4。进一步，所述激光晶体Pr3+:REMO4：采用激光波长为450nm、470nm、475nm、488nm的GaN激光二极管，通过3H4→2S'+1L'J'，即2S'+1L'J'＝3P2、3H4→1I6、3H4→3P1、3H4→3P0跃迁通道，将Pr3+的粒子直接激发到3P0，或比其能量更高的3P2、1I6、3P1激发态，再通过无辐射弛豫或其他过程跃迁到3P0，实现3P0与下能级2S+1LJ，即2S+1LJ＝3H4、3H5、3H6、3F2、3F3、3F4之间的粒子数反转，再通过受激辐射3P0→3F2、3P0→3F4、3P0→3H6获得可见激光。进一步，所述激光晶体Dy3+:REMO4，采用激光波长430nm、450nm、483nm的GaN激光二极管，通过6H15/2→2S'+1L'J'，即2S'+1L'J'＝4M21/2、6H15/2→4I315/2、6H15/2→4G411/2跃迁通道，将Dy3+的6H15/2的粒子直接激发到4G11/2，或比其能量更高的4M21/2、4I315/2激发态，通过非辐射弛豫或通过其他过程跃迁到4F9/2，实现4F9/2与下能级2S+1LJ，即2S+1LJ＝6H15/2、6H13/2、6H11/2、6H9/2、6F11/2之间的粒子数反转，通过受激辐射4F9/2→6H13/2、4F9/2→6H11/2继而获得可见激光。进一步，所述激光晶体Sm3+:REMO4，采用激光波长465nm、476nm、483nm的GaN激光二极管，通过6H5/2→2S'+1L'J'，即2S'+1L'J'＝4I313/2、6H5/2→4I311/2、6H5/2→4M15/2，将Sm3+的6H5/2的粒子激发到2S'+1L'J'，即2S'+1L'J'＝4I313/2、4I311/2、4M15/2多重态，再通过无辐射跃迁或其他过程，弛豫或跃迁到激光上能级4G5/2，实现4G5/2与下能级2S+1LJ，即2S+1LJ＝6H5/2、6H7/2、6H9/2、6H11/2、6H13/2、6F1/2、6H15/2、6F3/2、6F5/2、6F7/2之间的粒子数反转，通过受激辐射4G5/2→6H9/2、6H11/2、6H13/2获得可见激光。进一步，在激光晶体中，由于受到晶体场的作用，激活离子Pr3+、Dy3+、Sm3+的简并能级2S+1LJ、2S'+1L'J'将分裂为多个晶场能级，2S+1LJ→2S'+1L'J'表示的2S+1LJ所分裂出的晶场能级至2S'+1L'J'所分裂出的晶场能级间所有可能光跃迁。进一步，所述GaN激光二极管的激光波长范围为430nm～490nm。本专利技术还涉及一种GaN激光二极管泵浦固体激光方法，采用上述的技术方法获得位于可见波段的基频激光后，采用非线性晶体，用通用的激光技术来对基频激光进行二倍频、三倍频，从而获得位于紫外、深紫外波长的激光。进一步，所述非线性晶体为LBO、KDP、BBO。已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：本专利技术使用钽酸盐和铌酸盐激光晶体基质(ScTaO4、YTaO4、LaTaO4、LuTaO4、GdTaO4、ScNbO4、YNbO4、LaNbO4、LuNbO4、GdNbO4，以下简写为REMO4)具有与YAG相当的声子能量，但REMO4属于单斜晶系(YAG为立方晶系)，晶体对称性低，这对于解除稀土离子的4f组态内的跃迁禁戒和提高其发光效率更为有利，另外，该类晶体还具有很高的热导率和莫氏硬度，化学稳定性好，是双折射较高的晶体，是性能优良的激光基质；本专利技术还给出了以钽铌酸盐氧化物晶体作为激光工作物质，以新的吸收泵浦通道和激光通道，获得可见波段激光。由此获得的可见激光可通过二倍频、三倍频而获得紫外、深紫外激光，对于获得新波段紫外激光、提高紫外固体激光的效率、功率等具有重要意义。具体实施方式为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，进一步阐本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用GaN激光二极管泵浦稀土离子掺杂钽铌酸盐实现可见激光的方法，其特征在于：(1)于钽酸盐激光晶体基质、铌酸盐激光晶体基质中掺杂激活离子，继而成为钽酸盐激光晶体和铌酸盐激光晶体；(2)根据激活离子的激光泵浦通道的吸收波长，选择工作波长和激活离子相匹配的GaN激光二极管作为泵浦源；(3)对掺杂激活离子的钽酸盐激光晶体和铌酸盐激光晶体进行泵浦，继而可实现可见光激光输出。

【技术特征摘要】
1.一种利用GaN激光二极管泵浦稀土离子掺杂钽铌酸盐实现可
见激光的方法，其特征在于：
(1)于钽酸盐激光晶体基质、铌酸盐激光晶体基质中掺杂激活
离子，继而成为钽酸盐激光晶体和铌酸盐激光晶体；
(2)根据激活离子的激光泵浦通道的吸收波长，选择工作波长
和激活离子相匹配的GaN激光二极管作为泵浦源；
(3)对掺杂激活离子的钽酸盐激光晶体和铌酸盐激光晶体进行
泵浦，继而可实现可见光激光输出。
2.根据权利要求1所述的一种利用GaN激光二极管泵浦稀土离
子掺杂钽铌酸盐实现可见激光的方法，其特征在于：所述钽酸盐激光
晶体基质包括ScTaO4、YTaO4、LaTaO4、LuTaO4、GdTaO4；铌酸盐
激光晶体基质包括ScNbO4、YNbO4、LaNbO4、LuNbO4、GdNbO4；
且所述钽酸盐激光晶体基质和铌酸盐激光晶体基质记为REMO4，其
中REMO4代表激光晶体基质中的任何一种。
3.根据权利要求2所述的一种利用GaN激光二极管泵浦稀土离
子掺杂钽铌酸盐实现可见激光的方法，其特征在于：所述激活离子为
Pr3+、Dy3+、Sm3+中之一，且激活离子用于取代激光晶体基质中Sc、
Y、La、Lu、Gd所占的格位，从而分别构成激光晶体Pr3+:REMO4、
Dy3+:REMO4、Sm3+:REMO4。
4.根据权利要求3所述的一种利用GaN激光二极管泵浦稀土离
子掺杂钽铌酸盐实现可见激光的方法，其特征在于：所述激光晶体
Pr3+:REMO4：采用激光波长为450nm、470nm、475nm、488nm的
GaN激光二极管，通过3H4→2S'+1L'J'，即2S'+1L'J'＝3P2、3H4→1I6、3H4→3P1、
3H4→3P0跃迁通道，将Pr3+的粒子直接激发到3P0，或比其能量更高的
3P2、1I6、3P1激发态，再通过无辐射弛豫或其他过程跃迁到3P0，实现
3P0与下能级2S+1LJ，即2S+1LJ＝3H4、3H5、3H6、3F2、3F3、3F4之间的粒

\t子数反转，再通过受激辐射3P0→3F2、3P0→3F4、3P0→3H6获得可见激
光。
5.根据权利要求3所述的一种利用GaN激光二极管泵浦稀土离子
掺杂钽铌酸盐实现可见激光的方法，其特征在于：所述激光晶体
Dy3+:REMO4，采用激光波长为430nm、450nm、483nm的GaN激
光二极管，通过6H15/2→2S'+1L'J'，即2S'+1L'J'＝4M21/2、6H15/2→4I315/2、
6H15/2→4G411/2跃迁通道，将Dy3...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭方，张庆礼，殷绍唐，孙敦陆，孙贵花，刘文鹏，罗建乔，王小飞，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34