CN104184041A - 一种高功率中红外级联全固态激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于全固态固体激光设备技术领域，涉及一种高功率中红外级联全固态激光器，晶体冷却上热沉和晶体冷却下热沉之间嵌入式安装有掺钬氟化物激光晶体，晶体冷却上热沉和晶体冷却下热沉中间通冷却水冷却；掺钬氟化物激光晶体的前端平行放置有前腔镜，后端平行放置有后腔镜；后腔镜的后面放置有耦合聚焦透镜，耦合聚焦透镜的后端依次放置有耦合准直透镜和泵浦源；其结构简单，组装方便，操作灵便，泵浦光能量利用率高，实现低阈值、高效率的连续光输出。
Description
技术领域：
本发明属于全固态固体激光设备技术领域，涉及一种高功率中红外级联全固态激光器，基于3μm波段激活离子的能级结构特征，采用级联激光的技术手段提高3μm波段激光的转换效率，实现高效率、高功率的3μm波段激光输出。
背景技术：
近年来，中红外波段(3～5μm)激光逐渐成为国际激光技术领域的研究热点。中红外波段激光在环境监测、医学诊断和治疗以及国家安全等方面都有着重要的应用，是当前急需发展的关键技术，NaturePhotonics2012年发表专刊高度评价了中红外激光的科学研究价值。目前固体激光技术产生3μm波段激光的技术路线主要有光学参量振荡器(OPO)、光纤激光器以及全固态激光，其中光学参量振荡器转换效率较低，并且其结构复杂，可操作性能差；而3μm波段光纤激光器比较脆弱，熔点低，且损伤阈值低，不利于脉冲激光运转，极大地限制了高质量的3μm波段激光的产生；全固态激光器直接产生3μm波段激光起步相对较早，但发展非常缓慢，相比于较成熟的1μm等近红外波段激光动辄上百瓦的输出功率，3μm固体激光技术发展已经严重滞后，输出功率和转换效率都远远偏低，这主要是由于短波长抽运产生长波长激光本身的量子效率较低，而且产生中红外激光需要低声子能量的激光基质，可供选择的固体激光介质相对较少，使得直接获得高效率、高功率的3μm波段固体激光输出十分困难。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，这对现有3μm全固态激光技术输出功率和转换效率都远远偏低的现状，寻求设计提供一种高功率中红外级联全固态激光器，将级联激光的技术手段应用于3μm全固态掺钬激光器中，实现高效率、高功率的3μm连续激光输出。
为了实现上述目的，本发明的主体结构包括掺钬氟化物激光晶体、后腔镜、前腔镜、晶体冷却上热沉、晶体冷却下热沉、泵浦源、耦合准直透镜和耦合聚焦透镜；晶体冷却上热沉和晶体冷却下热沉之间嵌入式安装有掺钬氟化物激光晶体，均为紫铜材质的晶体冷却上热沉和晶体冷却下热沉中间通冷却水冷却；板条或块状结构的掺钬氟化物激光晶体采用声子能量低的氟化物为基质，其长度l为10mm～30mm，宽w为3mm，厚d介于1mm～1.2mm；掺钬氟化物激光晶体的前端平行放置有前腔镜，后端平行放置有后腔镜；CaF2材料制成的后腔镜和前腔镜均为平平镜，后腔镜上镀有2.1μm和2.9μm的全反膜，前腔镜为输出镜，输出2.1μm和2.9μm的激光；后腔镜的后面放置有耦合聚焦透镜，耦合聚焦透镜的后端依次放置有耦合准直透镜和泵浦源；泵浦源的中心波长为1150nm，泵浦源为激光二极管阵列、尾纤输出的激光二极管或激光器；耦合准直透镜和耦合聚焦透镜将泵浦源发出的激光入射到掺钬氟化物激光晶体被吸收。
本发明的工作原理是：钬氟化物激光晶体中的Ho3+能级5I6到能级5I7的跃迁产生3μm激光，其中3μm激光下能级5I7能级寿命为16ms，提高了实现3μm激光粒子数反转的难度，同时5I7能级上积累的粒子将无辐射跃迁到基态5I8能级，产生热量，影响3μm激光的转换效率；而3μm激光下能级5I7为Ho3+中产生2μm激光的上能级，所以采用“级联激光”的技术手段实现Ho3+全固态激光3μm(能级5I6→能级5I7)和2μm(能级5I7→能级5I8)的同时输出，降低Ho3+中3μm激光下能级粒子数，削弱无辐射跃迁造成的热效应影响，从而获得高效率、低阈值的3μm连续激光，同时还可以实现2μm的激光输出，更加高效的利用泵浦光的能量。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是采用级联激光技术，有效改善3μm激活离子下能级寿命长的缺点，实现低阈值、高效率的3μm连续激光输出；二是采用声子能量低的氟化物为激光晶体基质，有效地提高中红外激光的转换效率；三是激光晶体采用薄的板条或块状结构，晶体嵌在冷却热沉中通冷却水冷却，改善晶体的热透镜效应，有利于产生高功率中红外激光；四是采用级联激光技术，在产生2.9μm激光的同时产生2.1μm激光，更加高效地利用泵浦光能量；其结构简单，组装方便，操作灵便，泵浦光能量利用率高，实现低阈值、高效率的连续光输出。
附图说明：
图1为本发明的主体结构原理示意图。
图2为本发明涉及的Ho3+能级图。
具体实施方式：
下面结合实例和附图对本发明作进一步说明。
实施例：
本实施例的主体结构包括掺钬氟化物激光晶体1、后腔镜2、前腔镜3、晶体冷却上热沉4、晶体冷却下热沉5、泵浦源6、耦合准直透镜7和耦合聚焦透镜8；晶体冷却上热沉4和晶体冷却下热沉5之间嵌入式安装有掺钬氟化物激光晶体1，均为紫铜材质的晶体冷却上热沉4和晶体冷却下热沉5中间通冷却水冷却；板条或块状结构的掺钬氟化物激光晶体1采用声子能量低的氟化物为基质，其长度l为10mm～30mm，宽w为3mm，厚d介于1mm～1.2mm；掺钬氟化物激光晶体1的前端平行放置有前腔镜3，后端平行放置有后腔镜2；CaF2材料制成的后腔镜2和前腔镜3均为平平镜，后腔镜2上镀有2.1μm和2.9μm的全反膜，前腔镜3为输出镜，输出2.1μm和2.9μm的激光；后腔镜2的后面放置有耦合聚焦透镜8，耦合聚焦透镜8的后端依次放置有耦合准直透镜7和泵浦源6；泵浦源6的中心波长为1150nm，泵浦源6为激光二极管阵列、尾纤输出的激光二极管或激光器；耦合准直透镜7和耦合聚焦透镜8将泵浦源6发出的激光入射到掺钬氟化物激光晶体1被吸收。
本实施例涉及的掺钬氟化物激光晶体1中钬的三价阳离子的激光物理过程为：在Ho3+的能级中，3μm波段激光产生于上能级5I6到下能级5I7的跃迁，其上能级5I6的荧光寿命(1.8ms)远短于下能级5I7的荧光寿命(16ms)，极大地增加产生3μm波段激光的难度，压低3μm激光的转换效率；采用泵浦源6发出的一束泵浦光在同一个谐振腔中实现3μm(5I6→5I7)和2μm(5I7→5I8)激光的同时振荡输出，降低3μm激光下能级5I7上积累的粒子数，将其通过受激辐射产生2μm激光的方式释放，缩短粒子在激光下能级停留的时间，同时削弱3μm激光单振荡时5I7能级粒子无辐射跃迁造成的热效应影响，从而更易实现粒子数反转，降低激光器的阈值，并且使能级5I6上的粒子能量更加有效地转换为中红外激光输出。同时，相比于传统激光器，由于2μm激光的产生，使泵浦光能量得到更高效率的转换；同时，在此级联激光过程中，存在多个能量转换过程，如能量上转换(ETU)、激发态吸收(ESA)和交叉弛豫，每个因素都会影响到3μm激光的输出特性。
Claims (1)
1.一种高功率中红外级联全固态激光器，其特征在于主体结构包括掺钬氟化物激光晶体、后腔镜、前腔镜、晶体冷却上热沉、晶体冷却下热沉、泵浦源、耦合准直透镜和耦合聚焦透镜；晶体冷却上热沉和晶体冷却下热沉之间嵌入式安装有掺钬氟化物激光晶体，均为紫铜材质的晶体冷却上热沉和晶体冷却下热沉中间通冷却水冷却；板条或块状结构的掺钬氟化物激光晶体采用声子能量低的氟化物为基质，其长度l为10mm～30mm，宽w为3mm，厚d为1mm～1.2mm；掺钬氟化物激光晶体的前端平行放置有前腔镜，后端平行放置有后腔镜；CaF2材料制成的后腔镜和前腔镜均为平平镜，后腔镜上镀有2.1μm和2.9μm的全反膜，前腔镜为输出镜，输出2.1μm和2.9μm的激光；后腔镜的后面放置有耦合聚焦透镜，耦合聚焦透镜的后端依次放置有耦合准直透镜和泵浦源；泵浦源的中心波长为1150nm，泵浦源为激光二极管阵列、尾纤输出的激光二极管或激光器；耦合准直透镜和耦合聚焦透镜将泵浦源发出的激光入射到掺钬氟化物激光晶体被吸收。
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