[发明专利]590-650纳米可调谐固态染料激光器及其制备方法

说明书

本发明是一种调谐波段为590～650纳米范围内的新型固态可调谐染料激光器及其制备方法，应用于激光技术领域。

染料激光器是一种波长可调的激光器，具有波长调谐范围宽、可产生超短脉冲、谱线带宽窄、输出功率高等特点，但是由于作为激光介质的染料还多以液体的形式工作，需要液态循环喷流系统，整个装置庞大而复杂。染料由于在液体状态下易分解，不仅缩短了染料的使用寿命，而且易对人体产生毒害。另外，由于是循环流动，每次对染料的需求量也比较多。

近年来，人们考虑用固态染料激光物质取代庞大的液态循环装置，选择合适的固体基质成为实现以上目标的关键。基质材料必须具备良好的各向同性，较高的热导率、透过率和激光损伤阈值，良好的机械性能、较低的制备温度和良好的光学表面。目前有以下四利基质材料可作为候选。

(1).有机高分子聚合物(已有技术1：D.A.Gramov，J.Opt.Soc.Am.B2(7)(1985)1028-1031)。存在的问题在于热导率小，光学性能差。

(2).硅凝胶玻璃(已有技术2：Denis Larrue，Proc.SPIE 1758(1992)420-431)。存在的问题在于机械性能差，不便于光学加工过程。另外，加热烧结温度过高，染料易挥发及氧化。

(3).低熔点玻璃(已有技术3：Sanford，美国专利Feb.2，1982，4314031)。存在的问题在于工艺复杂，成本较高且易挥发。

(4).有机改性的硅酸盐(Organically modified silicate，简称ORMOSIL)(已有技术4：Hsin-Tan Lin，J.Mater.Sci.27(1992)5523-5528)。随着有机改性物质成分的不同，制备时原料配方的不同，ORMOSIL的各种性能有着较大的差别。

目前在此方面的研究中，存在的最大问题在于材料的激光使用寿命，这主要是由基质材料的热性能、光性能、机械性能以及染料的化学稳定性决定的。样品上每一点在输出激光功率衰减到输入值的10％时所承受的脉冲数是一个极其重要的参数。几年前所能承受的脉冲数只有几十个。目前，使用改性的有机玻璃掺杂Xanthene染料(如上述已有技术(1)中所述)，脉冲寿命为800，用SiO₂凝胶掺杂Rhodamine 6G(如上述已有技术(2)中所述)，脉冲数是2600，这些均不能满足实用化的要求。

本发明主要是为了解决以上提及的材料使用寿命及机械性能和光学性能等方面的问题。采用有机改性的硅酸盐(ORMOSIL)作为染料的基质以克服上述的缺陷，本发明将采用对传统的多孔凝胶方法的有机改性，是无机凝胶与有机聚合物的结合，用此法制备的材料将具有凝胶良好的光学性能及聚合物的机械性能、柔韧性等特点。通过调整基质成分的配比，选用适当的染料，调整染料的掺杂量，将获得一种稳定的、长寿命的和实用小型化的激光器件。

整个固态染料激光器分为泵浦源、染料激光介质及谐振腔三部分，具体各部分的位置关系见图1。泵浦源可以采用脉冲式的并符合染料吸收波段的激光器。它的具体结构是泵浦激光谐振腔1内，中间置有泵浦激光介质3，在泵浦激光介质3的一端置有调Q晶体2，在泵浦激光介质3的另一端，置有倍频晶体4。泵浦源输出的激光束透过对染料激光束全反射的激光腔镜51，进入染料激光腔5内，进行泵浦固态染料激光介质6，染料激光腔5的输出腔镜52是对染料激光器的激光束半反射。

本发明的固体染料激光介质6的基质原料为正硅酸乙酯、钛酸丁酯、硼酸正丁酯、γ-缩水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷(GLYMO)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、乙酸(HAc)、盐酸(HCl)、乙醇(C₂H₅OH)、去离子水(H₂O)等组成。以上原料均为液体状态，共能形成SiO₂-ORMOSIL，TiO₂-ORMOSIL，B₂O₃-ORMOSIL三组成分。表1为三种成分的基质配比范围。

在上述染料激光介质6的基质原料中，掺杂的染料是4-二氰基甲烯基-2-甲基-6对二甲基氨基苯乙烯基-砒喃(简称DCM)，化学表达式为：上述DCM染料的掺杂量是1×10^-6摩尔/升～1×10²摩尔/升。