[发明专利]一种基于钛掺杂石墨烯量子点的氧化镓晶体固体激光器

说明书

本发明提供的一种基于钛掺杂石墨烯量子点的氧化镓晶体固体激光器，包括金属热沉、谐振腔以及依次设置的LD泵浦源、耦合单元、输入镜、增益介质、声光晶体、输出镜。该固体激光器采用钛掺杂石墨烯量子点的氧化镓晶体材料，以宽禁带半导体材料氧化镓为基质材料，其禁带宽度为4.9ev，处于紫外光波段，对于紫外光具有良好的光谱吸收和响应，在氧化镓中掺杂钛掺杂的石墨烯量子点，光照下，氧化镓半导体材料吸收并产生的电子空穴对，在结势垒电场的作用下，电子或空穴将会注入石墨烯量子点内，石墨烯内载流子浓度随之发生变化，进而大大改变晶体材料的电阻率。

技术领域

本发明涉及激光设备领域，特别一种基于钛掺杂石墨烯量子点的氧化镓晶体固体激光器。

背景技术

热效应会导致热退偏、热致衍射损耗等问题，严重影响激光器的输出功率、转换效率以及光束质量等主要性能指标，严重时甚至引起增益介质的损坏，是高功率激光器性能的最主要限制因素。为缓解热效应带来的影响，相关领域的技术人员通过采用板条、DISK和光纤等形式的增益介质，增加增益介质的表面积体积比，大幅提高散热效率，从而极大地推进了激光器的功率输出能力。与板条和DISK激光器相比，光纤激光器具有如下几方面的优势：其泵浦结构较为简单；光纤本身的结构对于模式的限制作用使之在光束质量方面也存在明显优势；能够采用光纤耦合输出，应用环境适应性很好；基于这些优点，光纤激光器已成为高功率激光器的主要发展方向之一。

然而，高功率光纤激光器发展的一个明显障碍在于，目前广泛用作有源光纤基质的石英玻璃导热系数很小，仅为1.4-1.6W m-1K-1，小导热系数对散热带来巨大的不利影响，因此光纤激光器高功率运转时仍然对于制冷有较高的要求，也限制了其功率的继续提升。对于单晶激光增益介质而言，常用的激光晶体钇铝石榴石(YAG)晶体导热系数～14Wm-1K-1，铝酸钇(YAP)晶体的导热系数也超过～11Wm-1K-1，高于石英玻璃数倍；因此，可考虑采用单晶作为有源光纤的基质，利用其高导热系数改善光纤本身的散热性能，降低系统对于制冷的要求，简化系统的复杂性，提升激光器的功率和光束质量等输出性能指标。

蓝宝石晶体的化学成分为氧化铝(Al2O3)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键形式结合而成，其晶体结构为六方晶格结构，就颜色而言，单纯的氧化铝结晶是呈现透明无色的，因不同显色元素离子渗透于生长中的蓝宝石，因而使蓝宝石显出不同的颜色。掺质的蓝宝石晶体在人工珠宝领域占有重要的地位。蓝宝石晶体有着很好的热特性，极好的电气特性和介电特性，并且防化学腐蚀，它耐高温，导热好，硬度高，透红外，化学稳定性好，且体积小、重量轻、成本低，被广泛地应用于科学技术、国防与民用工业的许多领域。

蓝宝石晶体是LED产品中重要的衬底材料，是半导体照明产业发展的基石，其独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能使蓝宝石晶体成为实际应用的半导体GaN/Al₂O₃发光二极管(LED)，大规模集成电路SOI和SOS及超导纳米结构薄膜等最为理想的衬底材料。

作为窗口级蓝宝石，掺杂元素对蓝宝石的作用主要是指对其结构、颜色等方面的影响。蓝宝石属于刚玉类宝石，其主要化学成分为Al2O3，通常有铁、钛等类质同象替代铝。其中蓝宝石的颜色与主要致色元素的含量及其比值以及形成时的氧逸度有着密切的关系。如Fe3+、Si4+、Co2+是使蓝宝石呈现蓝色的主要离子，Cr3+离子可以使蓝宝石呈现出橙色和绿色，Mn4+离子可使蓝宝石呈现黄色。晶体结构方面的变化直接导致蓝宝石的晶格完整度，硬度，抗热冲击性，导热性，机械稳定性、导电性、化学稳定性等理化性能发生改变，研究意义十分重大。

发明内容

技术问题：为了解决现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于钛掺杂石墨烯量子点的氧化镓晶体固体激光器。