[发明专利]一种基于钛掺杂石墨烯量子点的氧化镓晶体的大功率固体激光器

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的大功率固体激光器，包括激光振荡器、双色镜、激光放大器、增强泵浦光源；所述激光振荡器包括金属热沉、谐振腔、侧面LD泵浦源以及依次连接的端面LD泵浦源、耦合单元、输入镜、增益介质、声光晶体、输出镜；所述声光晶体为基于钛掺杂石墨烯量子点的氧化镓晶体；所述基于钛掺杂石墨烯量子点的氧化镓晶体包括β‑Ga₂O₃基质材料，以及掺杂质量分数0.005％～0.03％的钛掺杂石墨烯量子点。该大功率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。

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的大功率固体激光器。

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1.4-1.6Wm-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。

β-Ga₂O₃是一种直接带隙宽禁带半导体材料，禁带宽度约为4.8～4.9eV。它具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度快、热导率高、击穿场强高、化学性质稳定等诸多优点，从深紫外(DUV)到红外区域(IR)都是透明的，与传统透明导电材料(TCOs)相比，可以制备波长更短的新一代半导体光电器件。

一般情况下，纯的β-Ga₂O₃由于在生长时形成氧空位会变为n型半导体，但导电性较弱，其电阻率一般在200Ω·cm以上。为了提高β-Ga₂O₃的n型导电能力，目前主要通过掺杂IIIA族、IVA族以及IVB族的Si，Sn和Ti等离子来实现，但由于掺杂浓度及生长技术的限制，目前IIIA族、IVA族以及IVB族单掺杂对导电性的提高有限。为了实现氧化镓材料在光电子器件方面的应用，寻找更好的掺杂方式，从而进一步提高氧化镓晶体的导电性，具有重要的应用价值。

石墨烯量子点是二维尺寸小于100纳米的石墨烯，因为量子效应和边界效应，表现出优异的光电子学和热学性质，掺杂钛可以进一步拓宽其吸光范围。

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的大功率固体激光器。