CN102790347B

CN102790347B - 脉冲ld间歇抽运单掺铥激光器

Info

Publication number: CN102790347B
Application number: CN201210305188.1A
Authority: CN
Inventors: 吴春婷; 金光勇; 王超; 吴婧; 范二赫
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2032-08-27
Also published as: CN102790347A

Abstract

本发明属于固体激光技术领域，涉及一种脉冲LD间歇抽运激光器，尤其是涉及一种脉冲LD间歇抽运单掺铥调Q激光器。采用两块或多块键合掺铥晶体，将其串联，每块晶体分别用一个LD抽运，并用脉冲间歇抽运方式，在不改变单个工作物质运转的最佳重复频率下，通过控制激光介质工作的时间间隔，使单掺铥2μm调Q激光器获得高重复频率、大能量的激光输出。适用于单掺铥2μm激光器研究，应用领域包括遥感，激光雷达，医学诊断和外科手术。

Description

脉冲LD间歇抽运单掺铥激光器

技术领域

本发明属于固体激光技术领域，涉及一种脉冲LD间歇抽运激光器，尤其是涉及一种脉冲LD间歇抽运单掺铥2μm高重频调Q激光器。

背景技术

2μm固体激光器处于人眼安全波段，LD抽运的2μm波段高重频、高能量全固态相干激光光源在激光雷达、激光测距、激光医疗和诊断等领域已显示出越来越广泛的应用前景。首先，可为2μm相干多普勒测风激光雷达的研究提供支撑，以2μm固体激光器作为发射机的相干多普勒测风激光雷达(Coherent Doppler Lidar)是激光雷达研究的重点之一。利用2μm相干多普勒测风激光雷达可以为全球数值天气预报提供准确的风场数据，预防和抵御灾害性天气，顺利开展体育赛事，为机场上空提供精确的风场检测等。高重频、高能量2μm固体激光器可为相干多普勒测风激光雷达的发射机研究提供支撑。其次，可为2μm差分吸收激光雷达的应用提供技术支持，2μm差分吸收激光雷达(Differential Absorption Lidar)是激光雷达研究的另外一个重点。由于2μm激光光源覆盖了大气中水蒸气和CO₂的主要吸收峰，可以依此更加准确的洞察天气情况，更加深入的了解水蒸气的循环过程，更加精确的描述CO₂浓度对于全球变暖的影响。2μm差分吸收激光雷达可以实现局部环境内CO₂气体的浓度、气溶胶、水汽、臭氧、温度的实时监测，对分子探测的光谱技术不但可以应用到地球观测系统，还可以深入应用到其他星球中大气微量气体的检测当中。高重频、高能量2μm固体激光器可推进和加速差分吸收雷达的应用进程。再次，2μm激光器还可作为中、远红外激光器的抽运源，激光红外定向干扰是用于对抗下一代红外凝视焦平面探测器制导的红外导弹。定向干扰是将红外干扰能量集中到狭窄的光束中，当红外导弹逼近时将光束射向来袭导弹的红外导引头，采用各种干扰程序和“迷惑”调制使来袭导弹导引头工作混乱无法锁定目标而脱靶。3-5μm和8-12μm光参量振荡器可作为红外定向干扰用的相干光源。在现代高技术局部战争中，导弹红外寻的跟踪系统主要将对方飞机或导弹尾焰的热辐射作为搜索跟踪的目标，或对目标进行高清晰度成像，进而进行拦截或摧毁。高重频、高能量2μm固体激光器恰是产生3-5μm和8-12μm红外激光的基础。最后，2μm激光器可用于激光医疗上，新型连续波掺铥(Tm³⁺)激光器能连续输出，在作为手术刀时只产生很小的机械损伤，在切口处造成的生物组织损伤区域也很小。脉冲输出能量可调节，不需要通过反射镜系统而直接通过光纤输送到切开的表面。手术时手术部位可保持清晰视野，不会受到过多的气泡形成物、组织碎片、破裂组织、照射激光及有色激光防护眼镜的影响。在水介质中，Tm³⁺激光只对前端小于2mm范围内的组织进行作用；超过该距离范围的组织或器官将受到水介质屏蔽而得到保护。除了作为手术刀相对于其它激光器优势明显外，掺Tm³⁺激光器在其它医疗应用方面也展现了非常优越的应用前景。

由于单掺Tm³⁺晶体的上能级寿命较长，决定了激光器运转的最佳重复频率小于100Hz，难于实现高重频的2μm大能量调Q激光输出，使得单掺Tm³⁺激光器难以有效地运用在上面所提到的各项应用中。

发明内容

本发明的目的在于利用多个脉冲LD间歇抽运方式，谐振腔内采用两块或多块激光介质串接，每个脉冲LD对单个激光介质进行抽运，通过控制激光介质工作的时间间隔，使激光器调Q运转的重复频率是单个激光介质工作频率的两倍或多倍，以此提高激光器运转的重复频率，获得一种高重频、高能量2μm调Q激光器。

本发明的脉冲LD间歇抽运单掺铥激光器，利用多个脉冲LD间歇抽运方式，谐振腔内采用两块或多块键合单掺铥晶体，将其串联，每个脉冲LD对单块晶体进行抽运，通过控制激光介质工作的时间间隔及Q开关的工作时间，在每个激光介质工作结束前的0.1微秒内控制Q开关打开，从而使激光器调Q运转的重复频率达到单块晶体工作频率的两倍或多倍，获得高重复频率、大能量输出的单掺铥激光器。

所述的脉冲LD间歇抽运单掺铥2μm高重频激光器，其特征在于采用单端键合掺铥晶体，晶体长度范围3-180mm，掺杂浓度范围0.1％-8％。

所述的脉冲LD间歇抽运单掺铥2μm高重频激光器，其特征在于采用单端键合掺铥晶体，如图中a、b部分，Tm：YAG晶体尺寸为Ф3×(5mm+10mm)，其中5mm为晶体键合冒长度，10mm为晶体掺杂部分长度，掺杂浓度为3％。

所述的脉冲LD间歇抽运单掺铥2μm高重频激光器，其特征在于采用多个脉冲LD间歇抽运，LD泵浦源的中心波长为对应激光介质的中心吸收波长。

所述的脉冲LD间歇抽运单掺铥2μm高重频激光器，其特征在于采用声光调Q装置，声光Q开关双端镀有振荡光波长的增透膜。

所述的脉冲LD间歇抽运单掺铥2μm高重频激光器，其特征在于激光器输出腔镜为平面镜，对振荡光波长的透过率为1％-15％。

由于本发明采用两块或多块掺Tm³⁺晶体，将其串联，每块晶体分别用LD抽运，并用脉冲间歇抽运方式，在不改变单个工作物质运转的重复频率情况下，使单掺铥调Q激光器获得高重复频率、大能量的激光输出。

附图说明

图1所示为脉冲LD间歇抽运单端键合Tm：YAG激光器装置示意图；

图2所示为脉冲LD间歇抽运单端键合Tm：YAG激光器原理图；

图3所示为脉冲LD间歇抽运单端键合Tm：LuAG激光器原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

本发明的脉冲LD间歇抽运单掺铥激光器装置由如下器件构成：

中心波长为785nm的第一LD泵浦源1；耦合透镜组2；全反镜3；单端键合Tm：YAG晶体4；单端键合Tm：YAG晶体5；45°全反镜6；声光调Q开关7；输出镜8；耦合透镜组9；中心波长为785nm的第二LD泵浦源10。

本发明的脉冲LD间歇抽运单掺铥激光器装置工作过程如下：第一LD泵浦源1采用N-LIGHT公司生产的中心波长为785nm的LD，采用光纤耦合，光纤的纤心直径为400μm，数值孔径为0.22。第一LD泵浦源1在t₀-t₁间发出785nm波长的激光，激光束通过耦合透镜组2准直聚焦后，通过全反镜3入射到单端键合Tm：YAG晶体4中，单端键合Tm：YAG晶体4在第一LD泵浦源1的抽运下产生振荡光。振荡光先后经过单端键合Tm：YAG晶体5、45°全反镜6、英国Gooch & Housego公司QS041-10M-HI8声光调Q开关7，经由输出镜8反射，激光振荡在全反镜3与输出镜8之间产生，t₁时刻声光Q开关7瞬间打开，形成的脉冲激光通过输出镜8输出；其中耦合透镜组2，由两块平凸透镜组成，作为准直泵浦光的平凸镜焦距为f＝25mm，面元为Ф20mm，厚度为3mm，作为聚焦泵浦光的平凸镜焦距为f＝50mm，面元为Ф20mm，厚度为3mm，两块透镜均对抽运光785nm高透(反射率R＜0.5％)，全反镜3为平面镜，面元为Ф20mm，厚度为2mm，镀有2013nm高反膜(R＞99.8％)和785nm增透膜(R＜0.5％)，45°全反镜6采用平面镜结构，直径为20mm，厚度为2mm，对振荡光2013nm高反(R＞99.8％)，对抽运光785nm增透(R＜0.5％)。N-LIGHT公司生产的第二LD泵浦源10在t₂-t₃间发出785nm波长的激光，激光束通过耦合透镜组9准直聚焦后，通过45°全反镜6入射到单端键合Tm：YAG晶体5中，单端键合Tm：YAG晶体5在第二LD泵浦源10的抽运下产生振荡光，振荡光先后经过单端键合Tm：YAG晶体4、经由全反镜3反射后再次通过单端键合Tm：YAG晶体4、5，45°全反镜6、声光调Q开关7，经由输出镜8反射，激光振荡在全反镜3和输出镜8之间产生，t₃时刻声光调Q开关7瞬间打开，形成的脉冲激光通过输出镜8输出。其中耦合透镜组9与耦合透镜组2具有相同的结构，由两块平凸透镜组成，其中作为准直泵浦光的平凸镜焦距为f＝25mm，面元为Ф20mm，厚度为3mm，作为聚焦泵浦光的平凸镜焦距为f＝50mm，面元为Ф20mm，厚度为3mm，两块透镜均对抽运光785nm高透(反射率R＜0.5％)。如此往复，双脉冲LD间歇抽运两块晶体，所得的重复频率为两块晶体重复频率之和，即200Hz，并以高能量的调Q脉冲输出，单脉冲能量可达4mJ以上。

本发明原理如下：

如图2所示，在一个周期t₀-t₄内，第一LD泵浦源1在t₀-t₁时间内抽运单端键合Tm：YAG晶体4，单端键合Tm：YAG晶体4在t₁-t₄之间散热，产生的激光在腔内振荡，通过声光调Q开关7装置输出激光，在此过程中，单端键合Tm：YAG晶体5不产生激光；经过时间t₁-t₂后，第二LD泵浦源10在t₂-t₃之间内抽运单端键合Tm：YAG晶体5，声光调Q开关7在t₁、t₃时刻工作，同时给单端键合Tm：YAG晶体5一定的散热时间；控制第一LD泵浦源1和第二LD泵浦源10之间的时间间隔相等，达到激光器输出频率稳定的目的；如此反复，两个LD泵浦源1和10间歇抽运，两块单端键合Tm：YAG晶体间歇产生激光，从而使激光器调Q运转的重复频率达到两块晶体的重复频率之和。

依照以上所述，可根据实际需要，以本发明的设计思路和设计原理出发，改变晶体个数和LD泵浦源个数，从而可获得更高的重复频率与更高的能量输出。

如采用三个LD脉冲泵浦串联的三块单端键合Tm：LuAG晶体，第一LD泵浦源在t₀-t₁间发出788nm波长的激光，激光束通过第一组耦合透镜组准直聚焦后，通过第一块全反镜入射到第一块单端键合Tm：LuAG晶体中，第一块单端键合Tm：LuAG晶体在第一LD泵浦源的抽运下产生振荡光。振荡光先后经过第一块45°全反镜、第二块单端键合Tm：LuAG晶体、第三块单端键合Tm：LuAG晶体、第二块45°全反镜、声光调Q开关，经由输出镜反射，激光振荡在第一块全反镜与输出镜之间产生，t₁时刻声光Q开关瞬间打开，形成的脉冲激光通过输出镜输出；其中第一块45°全反镜采用平面镜结构，直径为20mm，厚度为2mm，对振荡光2023nm高反(R＞99.8％)，对抽运光788nm高反(R＞99.8％)；第二块45°全反镜同样采用平面镜结构，直径为20mm，厚度为2mm，对振荡光2023nm高反(R＞99.8％)，对抽运光788nm增透(R＜0.5％)。第二LD泵浦源在t₂-t₃间发出788nm波长的激光，激光束通过第二组耦合透镜组准直聚焦后，通过第一块45°全反镜入射到第二块单端键合Tm：LuAG晶体中，第二块单端键合Tm：LuAG晶体在第二LD泵浦源的抽运下产生振荡光，振荡光先后经过第三块单端键合Tm：LuAG晶体、第二块45°全反镜、声光调Q开关，经由输出镜反射，激光振荡在第二块全反镜与输出镜之间产生，t₃时刻声光Q开关瞬间打开，形成的脉冲激光通过输出镜输出；第三LD泵浦源在t₄-t₅间发出788nm波长的激光，激光束通过第三组耦合透镜组准直聚焦后，通过第二块45°全反镜入射到第三块单端键合Tm：LuAG晶体中，第三块单端键合Tm：LuAG晶体在第三LD泵浦源的抽运下产生振荡光，振荡光先后经过第二块单端键合Tm：LuAG晶体、经由第一块45°全反镜反射后再由第二块全反镜反射，再经第一块45°全反镜反射，依次通过第二块单端键合Tm：LuAG晶体、第三块单端键合Tm：LuAG晶体，第二块45°全反镜、声光调Q开关，经由输出镜反射，激光振荡在第二块全反镜和输出镜之间产生，t₅时刻声光调Q开关瞬间打开，形成的脉冲激光通过输出镜输出。如此往复，三个脉冲LD间歇抽运三块晶体，控制第一LD泵浦源、第二LD泵浦源和第三LD泵浦源之间的时间间隔相等，在每个激光介质工作结束前的0.1微秒内控制Q开关打开，从而使激光器调Q运转的重复频率达到单块晶体工作频率的三倍，即获得300Hz的调Q输出，单脉冲能量可达4mJ以上。

本发明中的激光介质除了单端键合Tm：YAG晶体和Tm：LuAG晶体外，还可以采用其他种类单掺铥的激光晶体；对应的LD泵浦源也要采用适合不同晶体的中心波长的LD泵浦源，且多个泵浦源之间可以为串联也可以为并联或者为串并联等形式；耦合镜组的除了采用平凸透镜外，还可以采用XX形式，透镜的直径、厚度、焦距、膜层的透过率和反射率都可以做出适应性调整。

Claims

1.脉冲LD间歇抽运单掺铥高重频激光器，利用多个脉冲LD间歇抽运方式，谐振腔内采用多块键合单掺铥晶体，将其串联，每个LD分别对单块晶体进行间歇抽运，采用声光Q开关装置，声光Q开关双端镀有振荡光波长的增透膜，通过控制单掺铥晶体工作的时间间隔及Q开关的工作时间，在每个单掺铥晶体工作结束前的0.1微秒内控制Q开关打开，从而使激光器调Q运转的重复频率达到单块晶体工作频率的多倍，获得高重复频率、大能量输出的单掺铥激光器。

2.如权利要求1所述的脉冲LD间歇抽运单掺铥高重频激光器，其特征在于采用多个脉冲LD间歇抽运，LD泵浦源的中心波长为对应单掺铥晶体的中心吸收波长。

3.如权利要求1所述的脉冲LD间歇抽运单掺铥高重频激光器，其特征在于激光器输出镜为平面镜，对振荡光波长的透过率为1％-15％。