CN104577685B - 光纤激光双程泵浦1.2μm波段范围激光器 - Google Patents
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Abstract
一种光纤激光双程泵浦的1.2μm波段激光器，以Ho3+激光晶体作为工作物质，1.13μm‑1.20μm波段光纤激光器作为泵浦源，使掺杂Ho3+激光晶体在‘s’偏振方向的光纤泵浦光激励下，实现1.2μm波段‘p’偏振方向激光输出。本发明在泵浦光波长与激光波长十分接近的情况下，将激光谐振腔与光纤激光泵浦源进行有效的分离，降低了谐振腔镜的镀膜要求，提高镀膜质量，并且充分利用了光纤泵浦光的能量，是具有光束质量高、结构紧凑、工作安全、应用前景广泛的1.2μm波段新型固体激光器，在医疗、航空等领域具有十分重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及激光器，特别是一种光纤激光双程泵浦1.2μm波段范围激光器。
背景技术
自上世纪60年代激光问世以来，随着激光器件的迅猛发展与激光技术的不断进步，激光与物质相互作用的范畴也在不断拓展，不同波长范围的激光在其特定应用对象和应用领域中发挥着自身独特的优势与作用，其中，1.2μm波段范围激光及其所对应的550nm-600nm波段范围的倍频橙黄激光在激光钠导星、生物医学、医疗美容、食品药品检测、激光显示以及高分辨率光谱学等领域中有着广泛的应用与需求前景。目前获得1.2μm波段范围激光输出主要包括以下三种方式：一是灯泵浦或LD泵浦固体拉曼激光器(V.A.Lisinetskii,T.Riesbeck,H.Rhee,et al.,High average power generation in bariμm nitrateRaman laser[J].Appl.Phys.B,2010,99(1-2):127-134)；二是LD泵浦拉曼光纤激光器与光纤激光放大器，如：中国专利(CN102916330B 1178nm高功率窄线宽单频光纤激光器)公布了一种以1120nm的掺镱光纤激光器作为泵浦源，通过隔离器、相移光纤光栅、准直器等输出1178nm高功率窄线宽单频光纤激光；三是半导体激光器(7.4W yellow GaInNAs-basedsemicondμctor disk laser[J].Electron.Lett,2011,47(20):1139–1440)，此外，中国专利也报道了本专利的同种类专利申请，基于掺钬激光晶体的1.2μm波段的近红外固体激光器(申请号：201410290238.2)，采用1120nm-1160nm激光器同轴泵浦掺钬离子激光晶体实现1170nm-1210nm激光输出。
虽然上述各种1.2μm波段范围激光输出方式都有自身优势，但也都存在一定的缺陷，如固体拉曼倍频激光系统结构简单，但输出功率较低，晶体热透镜效应较明显；光纤激光器1.2μm波段激光光束质量较高，但价格较高，在调Q过程中由于非线性效应的影响很难获得高峰值功率激光输出；半导体1.2μm波段激光器发散角较大，光束质量较低，而且光谱线宽较宽，专利(申请号：201410290238.2)中泵浦光与激光波长极其相近，对镀膜工艺要求较高，镀膜质量难于保证。基于此，为克服现存问题，寻求新途径、新方式以获得更加有效的1.2μm波段激光输出是十分必要而重要的一项任务，具有十分重要的实际应用价值。
发明内容
为了解决上述LD泵浦与灯泵浦1.2μm波段固体拉曼激光器热效应明显而且输出功率低、LD泵浦1.2μm波段光纤激光器输出线宽宽、非线性效应影响大、1.2μm波段半导体激光器发散角较大、全固态1.2μm波段激光器镀膜工艺难等问题，本发明提出一种光纤激光双程泵浦的1.2μm波段激光器。该激光器在泵浦光波长与激光波长十分接近的情况下，将激光谐振腔与光纤激光泵浦源进行有效的分离，降低了谐振腔镜的镀膜要求，提高镀膜质量，并且充分利用了光纤泵浦光的能量，是具有光束质量高、结构紧凑、工作安全、应用前景广泛的1.2μm波段新型固体激光器，在医疗、航空等领域具有十分重要的应用价值。
本发明的技术解决方案如下：
一种光纤激光双程泵浦1.2μm波段范围激光器，包括掺杂Ho3+激光晶体，其特点在于，掺杂Ho3+激光晶体水平光路上依次设置有全反射端镜、凸透镜、第一偏振分光棱镜、掺杂Ho3+激光晶体及其冷却系统、第二偏振分光棱镜和耦合输出镜，所述的第一偏振分光棱镜的偏振分光面和第二偏振分光棱镜的偏振分光面分别与所述的水平光路成45°或135°；在所述的第一偏振分光棱镜的反射方向是泵浦光反射镜，在光纤泵浦源的输出方向依次经光隔离器、耦合系统和第二偏振分光棱镜，所述全反射端镜靠近激光晶体的一面镀有1.2μm波段范围激光高反膜和2.0-3.0μm波段范围激光增透膜；所述的凸透镜两通光面均镀有1.2μm波段范围激光增透膜；所述第一偏振分光棱镜与水平光路垂直和平行的四个通光面均镀有1.0μm-1.5μm波段范围激光增透膜，与水平光路激光出射方向成135°的通光面镀有1.0μm-1.5μm波段范围激光‘p’偏振增透膜和‘s’偏振高反膜；所述第二偏振分光棱镜与水平光路垂直与平行的四个通光面均镀有1.0μm-1.5μm波段范围激光增透膜，与水平光路激光出射方向成45°的通光面镀有1.0μm-1.5μm波段范围激光‘p’偏振增透膜和‘s’偏振高反膜；
所述耦合输出镜两通光面均镀有1.2μm波段范围激光减反膜和2.0μm-3.0μm波段范围激光增透膜；
所述泵浦光反射镜靠近第一偏振分光棱镜的一面镀有1.13μm-1.20μm波段范围激光高反膜。
所述Ho3+激光晶体(4)为掺钬钇铝石榴石、掺钬氟化镥锂、共掺钬镨氟化镥锂、掺钬氟化铅或掺钬氟化钇锂激光晶体，晶体两通光面均镀有1.10μm-1.20μm波段范围和2.0μm-3.0μm波段范围激光增透膜。
所述冷却系统为水循环冷却系统或半导体冷却系统。
一种光纤激光双程泵浦1.2μm波段范围激光器的激光产生过程是：
1)光纤泵浦源发出的1.13μm-1.20μm波段范围激光，经过隔离器后，偏振方向顺时针旋转45°为‘s’偏振光，经耦合系统被第二偏振分光棱镜反射进入掺杂Ho3+激光晶体中，被掺杂Ho3+激光晶体吸收后剩余1.13μm-1.20μm波段范围激光经第一偏振分光棱镜反射至泵浦光反射镜，泵浦光反射镜将其原路返回，再次经掺杂Ho3+激光晶体吸收后，剩余泵浦光被第二偏振分光棱镜反射至光隔离器，偏振方向再次顺时针旋转45°，与1.13μm-1.20μm波段范围出射激光偏振方向垂直，不能进入光纤泵浦源。
2)掺杂Ho3+激光晶体在吸收1.13μm-1.20μm波段范围激光后，Ho3+从5I8能级跃迁到5I6能级，形成粒子数反转分布，在5I6能级处的Ho3+向下跃迁到5I8能级时，辐射出1.2μm波段的荧光，在由全反射端镜和耦合输出镜构成的直线型谐振腔内‘p’偏振方向辐射光往返振荡放大后形成稳定的1.2μm波段范围激光输出。
本发明的特点及有益效果：
由于采用光纤激光器作为泵浦源，与传统的LD泵浦和灯泵浦相比较，具有光束质量好、耦合效率高的特点；采用双程泵浦结构，同时应用光隔离器和偏振分光棱镜，在充分利用了基频光的能量的同时，避免泵浦光通过谐振腔镜，降低了谐振腔镀膜的要求，具有结构新颖、紧凑、效率高、工作安全、用途广泛的等特点，适用于1.2μm波段范围激光的产生与输出。
附图说明
图1为本发明光纤激光双程泵浦Ho3+激光晶体1.2μm波段激光器的结构示意图
具体实施方式
参看图1，图1为本发明光纤激光双程泵浦Ho3+激光晶体1.2μm波段激光器的结构示意图，由图可见，本发明光纤激光双程泵浦1.2μm波段范围激光器，包括掺杂Ho3+激光晶体4，在掺杂Ho3+激光晶体4水平光路上依次设置有全反射端镜1、凸透镜2、第一偏振分光棱镜3、掺杂Ho3+激光晶体4及其冷却系统5、第二偏振分光棱镜6和耦合输出镜7，所述的第一偏振分光棱镜3的偏振分光面和第二偏振分光棱镜6的偏振分光面与所述的水平光路成45°或135°；在所述的第一偏振分光棱镜3的反射方向是泵浦光反射镜11，在光纤泵浦源8的输出方向依次经光隔离器9、耦合系统10和第二偏振分光棱镜6，所述全反射端镜1靠近激光晶体4的一面镀有1.2μm波段范围激光高反膜和2.0-3.0μm波段范围激光增透膜；
所述凸透镜2两通光面均镀有1.2μm波段范围激光增透膜；
所述第一偏振分光棱镜3与水平光路垂直与平行的四个通光面均镀有1.0μm-1.5μm波段范围激光增透膜，与水平光路激光出射方向成135°的通光面镀有1.0μm-1.5μm波段范围激光‘p’偏振增透膜和‘s’偏振高反膜；所述第二偏振分光棱镜6与水平光路垂直与平行的四个通光面均镀有1.0μm-1.5μm波段范围激光增透膜，与水平光路激光出射方向成45°的通光面镀有1.0μm-1.5μm波段范围激光‘p’偏振增透膜和‘s’偏振高反膜；
所述耦合输出镜M27两通光面均镀有1.2μm波段范围激光减反膜和2.0μm-3.0μm波段范围激光高透膜；
所述泵浦光反射镜M311靠近第一偏振分光棱镜3的一面镀有1.13μm-1.20μm波段范围激光高反膜；
所述Ho3+激光晶体4为掺钬钇铝石榴石(Ho3+:YAG)、掺钬氟化镥锂(Ho3+:LLF)、共掺钬镨氟化镥锂(Ho3+/Pr3+:LLF)、掺钬氟化铅(Ho3+:PbF2)或掺钬氟化钇锂(Ho3+:LYF)激光晶体，晶体两通光面均镀有1.10μm-1.20μm波段范围激光和2.0-3.0μm波段范围激光增透膜。
所述冷却系统6为水循环冷却系统或半导体冷却系统；
所述光纤激光双程泵浦Ho3+激光晶体1.2μm波段范围激光器，的激光产生方法，该方法按照下述步骤进行：
1)光纤泵浦源8发出的1.13μm-1.20μm波段范围激光，经过隔离器9后，偏振方向顺时针旋转45°为‘s’偏振光，经耦合系统10被第二偏振分光棱镜6反射进入掺杂Ho3+激光晶体4，被掺杂Ho3+激光晶体4吸收后剩余1.13μm-1.20μm波段范围激光经第一偏振分光棱镜3反射至泵浦光反射镜M311，泵浦光反射镜M311将其原路返回，再次经掺杂Ho3+激光晶体4吸收后，剩余泵浦光被第二偏振分光棱镜6反射至光隔离器9，偏振方向再次顺时针旋转45°，与1.13μm-1.20μm波段范围出射激光偏振方向垂直，不能进入光纤泵浦源8。
2掺杂Ho3+激光晶体4在吸收1.13μm-1.18μm波段范围激光后，Ho3+从5I8能级跃迁到5I6能级，形成粒子数反转分布，在5I6能级处的Ho3+向下跃迁到5I8能级时，辐射出1.2μm波段的荧光，在由全反射端镜M11和耦合输出镜M27构成的直线型谐振腔内‘p’偏振方向辐射光往返振荡放大后形成稳定的1.2μm波段范围激光输出。
实施例1
参看图1为光纤激光双程泵浦Ho3+:LLF激光晶体1.194μm激光输出装置图。该装置中光纤泵浦源8、光隔离器9、耦合系统10、第二偏振分光棱镜6、第一偏振分光棱镜3、泵浦光反射镜M311构成了泵浦光光路；全反射端镜1、凸透镜2、第一偏振分光棱镜3、掺杂Ho3+激光晶体4及其冷却系统5、第二偏振分光棱镜6、耦合输出镜M27构成了直线型激光谐振腔。
所有镜片均固定在二维调整架上。全反射端镜1、耦合输出镜7与泵浦光反射镜11直径均为Φ＝12.7mm，曲率半径均为无穷大，其中，全反射端镜M11靠近激光晶体的一面镀有1.194μm激光高反膜(R＝99.5％)与2.0μm-3.0μm波段范围激光高透膜(T>99.5％)；
所述凸透镜2两通光面均镀有1.2μm波段范围激光高透膜(T>99％)；
所述第一偏振分光棱镜3与水平光路垂直与平行的四个通光面均镀有1.0μm-1.5μm波段范围激光高透膜(T>99％)，与水平光路激光出射方向成135°的通光面镀有1.0μm-1.5μm波段范围激光‘p’偏振增透膜(T>99％)和‘s’偏振高反膜(R>99％)；所述第二偏振分光棱镜6与水平光路垂直与平行的四个通光面均镀有1.0μm-1.5μm波段范围激光高透膜(T>99％)，与水平光路激光出射方向成45°的通光面镀有1.0μm-1.5μm波段范围激光‘p’偏振增透膜(T>99％)和‘s’偏振高反膜(R>99％)；
所述耦合输出镜7两通光面均镀有1.2μm波段范围激光减反膜(T＝4％)和2.0μm-3.0μm波段范围激光高透膜(T>99.5％)；
所述泵浦光反射镜11靠近第一偏振分光棱镜3的一面镀有1.13μm-1.20μm波段范围激光高反膜(R>99.5％)；
所述掺钬氟化镥锂Ho3+:LLF晶体4掺杂浓度为1.0at％，尺寸为1.5×5×15mm3，两通光面均镀有1.10μm-1.20μm波段范围激光和2.0μm-3.0μm波段范围激光增透膜(T>99.5％)，侧面打毛并用铟箔包裹后放于水冷散热铜块中；
所述冷却系统5为水循环冷却系统，温度为10℃-24℃；
1.194μm激光产生方法如下：
1)光纤泵浦源8发出的1.152μm的激光，经过隔离器9后，偏振方向顺时针旋转45°为‘s’偏振光，经耦合系统10被第二偏振分光棱镜6反射进入Ho3+:LLF激光晶体4，被Ho3+:LLF晶体4吸收后剩余1.152μm激光经第一偏振分光棱镜3反射至泵浦光反射镜M311，泵浦光反射镜M311将其原路返回，再次经Ho3+:LLF激光晶体4吸收后，剩余泵浦光被第二偏振分光棱镜6反射至光隔离器9，偏振方向再次顺时针旋转45°，不能进入光纤泵浦源8。
2)Ho3+:LLF激光晶体4在吸收1.152μm激光后，Ho3+从5I8能级跃迁到5I6能级，形成粒子数反转分布，在5I6能级处的Ho3+向下跃迁到5I8能级时，辐射出1.194μm的荧光，在由全反射端镜M11和耦合输出镜M27构成的直线型谐振腔内‘p’偏振方向辐射光往返振荡放大后形成稳定的1.194μm激光输出。
Claims (3)
1.一种光纤激光双程泵浦1.2μm波段范围激光器，包括掺杂Ho3+激光晶体(4)，其特征在于，掺杂Ho3+激光晶体(4)水平光路上依次设置有全反射端镜(1)、凸透镜(2)、第一偏振分光棱镜(3)、掺杂Ho3+激光晶体(4)及其冷却系统(5)、第二偏振分光棱镜(6)和耦合输出镜(7)，所述的第一偏振分光棱镜(3)的偏振分光面和第二偏振分光棱镜(6)的偏振分光面与所述的水平光路成45°或135°；在所述的第一偏振分光棱镜(3)的反射方向是泵浦光反射镜(11)，在光纤泵浦源(8)的输出方向依次经光隔离器(9)、耦合系统(10)和第二偏振分光棱镜(6)，所述全反射端镜(1)靠近激光晶体(4)的一面镀有1.2μm波段范围激光高反膜和2.0-3.0μm波段范围激光增透膜；所述的凸透镜(2)两通光面均镀有1.2μm波段范围激光增透膜；所述第一偏振分光棱镜(3)与水平光路垂直和平行的四个通光面均镀有1.0μm-1.5μm波段范围激光增透膜，与水平光路激光出射方向成135°的偏振分光面镀有1.0μm-1.5μm波段范围激光‘p’偏振增透膜和‘s’偏振高反膜；所述第二偏振分光棱镜(6)与水平光路垂直与平行的四个通光面均镀有1.0μm-1.5μm波段范围激光增透膜，与水平光路激光出射方向成45°的偏振分光面镀有1.0μm-1.5μm波段范围激光‘p’偏振增透膜和‘s’偏振高反膜；所述耦合输出镜(7)两通光面均镀有1.2μm波段范围激光减反膜和2.0μm-3.0μm波段范围激光增透膜；所述泵浦光反射镜(11)靠近第一偏振分光棱镜(3)的一面镀有1.13μm-1.20μm波段范围激光高反膜。
2.根据权利要求1所述的光纤激光双程泵浦1.2μm波段范围激光器，其特征在于，所述Ho3+激光晶体(4)为掺钬钇铝石榴石Ho3+:YAG、掺钬氟化镥锂Ho3+:LLF、共掺钬镨氟化镥锂Ho3+/Pr3+:LLF、掺钬氟化铅Ho3+:PbF2或掺钬氟化钇锂Ho3+:LYF激光晶体，晶体两通光面均镀有1.10μm-1.20μm波段范围和2.0μm-3.0μm波段范围激光增透膜。
3.根据权利要求1或2所述的光纤激光双程泵浦1.2μm波段范围激光器，其特征在于，所述冷却系统(5)为水循环冷却系统或半导体冷却系统。
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