CN104577686A - 光纤激光双端泵浦Ho3+激光晶体1.19μm波段激光器 - Google Patents

光纤激光双端泵浦Ho3+激光晶体1.19μm波段激光器 Download PDF

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一种光纤激光双端泵浦的1.19μm波段激光器,以Ho3+激光晶体作为工作物质,1.13μm-1.16μm波段光纤激光器作为泵浦源,利用光隔离器、偏振分光棱镜、45°分束镜、耦合系统等光学元件,使掺杂Ho3+激光晶体吸收不同偏振方向的光纤泵浦光,实现激光晶体中Ho3+从5I6到5I8能级间跃迁产生1.19μm波段激光输出,本发明激光器将光纤激光技术与固体激光技术进行有效结合,充分利用光纤泵浦光的能量,具有光束质量高、结构紧凑、工作安全、应用前景广泛的特点,在医疗、航空等领域具有十分重要的应用价值。

Description

光纤激光双端泵浦Ho3+激光晶体1.19μm波段激光器
技术领域
本发明涉及激光器,特别是一种光纤激光双端泵浦1.19μm波段激光器。
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,1.19μm波段范围激光不仅可以用作Tm3+、Ho3+石英光纤激光器泵浦源,更重要的是,以该波段范围激光作为基频光,与倍频技术相结合,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1.19μm波段范围激光输出主要采用以下两种方式:一是灯泵浦或LD泵浦固体拉曼激光器,如采用灯泵浦Nd3+:YAG激光器作为泵浦源,在泵浦功率60W、脉冲重复频率1.1kHz、脉冲宽度50ns时,Ba(NO3)2晶体一阶斯托克斯拉曼频移激光器输出1197nm拉曼激光(V.A.Lisinetskii,T.Riesbeck,H.Rhee,etal.,High average power generation in bariμm nitrate Ramanlaser[J].Appl.Phys.B,2010,99(1-2):127-134);二是利用半导体激光器直接输出1.19μm波段范围激光,如:基于GaInNAs的薄片激光器实现1190nm激光输出,并经倍频输出黄光激光7.4W(7.4W yellowGaInNAs-based semicondμctor disk laser[J].Electron.Lett,2011,47(20):1139–1440)。
虽然上述两种1.19μm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;半导体1190nm波段激光器发散角较大,光束质量较低,而且光谱线宽较宽。基于1190nm波段范围激光的发展现状,为克服现存问题,寻求新材料、新途径以获得更加有效的该波段激光输出是十分必要而迫切的一项任务,具有十分重要的实际应用价值。
发明内容
本发明为了解决目前1.19μm波段固体拉曼激光器热效应明显而且输出功率低、1.19μm波段半导体激光器发散角较大等问题,提供一种光纤激光双端泵浦Ho3+激光晶体1.19μm波段激光器,该激光器具有光束质量高、结构紧凑、工作安全、应用前景广泛的1.19μm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:
一种光纤激光双端泵浦Ho3+激光晶体1.19μm波段激光器,包括掺杂Ho3+激光晶体,其特点在于,在掺杂Ho3+激光晶体水平光路上依次设置有第一光纤激光泵浦源、第一光隔离器、第一耦合系统、偏振分光棱镜PBS、掺杂Ho3+激光晶体及其冷却系统、45°分束镜、第二耦合系统、第二光隔离器和第二光纤激光泵浦源;在所述的偏振分光棱镜的反射光方向即与所述水平光路垂直的光路上依次是凸透镜和全反射端镜;在所述的45°分束镜的反射光方向是耦合输出镜;
所述第一光隔离器、第一耦合系统、第二耦合系统、第二光隔离器的通光面均镀有1.10μm-1.50μm波段范围激光增透膜;
所述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1.10μm-1.50μm波段范围激光增透膜,与第一光纤激光泵浦源发出的泵浦光传播方向成135°的分光面镀有1.10μm-1.50μm波段范围激光‘p’偏振增透膜和‘s’偏振高反膜;
所述45°分束镜两个通光面均镀有1.10μm-1.50μm波段范围激光‘p’偏振增透膜和‘s’偏振高反膜;
所述凸透镜两通光面均镀有1.10μm-1.50μm波段范围激光增透膜;
所述全反射端镜靠近偏振分光棱镜的一面镀有1.10μm-1.50μm波段范围激光高反膜和2.0-3.0μm波段范围激光增透膜;
所述耦合输出镜靠近45°分束镜的一面镀有1.19μm波段范围激光减反膜和2.0-3.0μmμm波段范围激光增透膜。
所述Ho3+激光晶体为掺钬钇铝石榴石、掺钬氟化镥锂、掺钬氟化铅、掺钬氟化钇锂或共掺钬镨氟化镥锂激光晶体,晶体两通光面均镀有1.10μm-1.20μm波段范围与2.0μm-3.0μm波段范围激光增透膜。
所述第一光纤激光泵浦源和第二光纤激光泵浦源为同波长或者不同波长的1.13μm-1.18μm波段范围掺杂Yb3+光纤激光器或掺杂Yb3+拉曼光纤激光器。
所述冷却系统为水循环冷却系统或半导体冷却系统。
所述凸透镜(13)是双凸透镜或平凸透镜。
所述激光器是一种光纤激光双端泵浦的1.19μm波段激光器,以Ho3+激光晶体作为工作物质,1.13μm-1.18μm波段光纤激光器作为泵浦源,利用光隔离器、偏振分光棱镜、45°分束镜、耦合系统,使Ho3+激光晶体吸收双端‘p’偏振方向光纤泵浦光,实现激光晶体中Ho3+5I65I8能级间跃迁产生1.19μm波段激光输出,是具有光束质量高、结构紧凑、调节灵活方便、工作安全、应用前景广泛的1.19μm波段新型激光器。
本发明的特点及有益效果:
本发明采用光纤激光泵浦实现1.19μm波段激光输出至今罕见报道,与传统的LD泵浦和灯泵浦相比较,光纤激光器作为泵浦源,具有光束质量好、耦合效率高的特点;
采用双端泵浦结构,同时应用光隔离器、偏振分光棱镜、45°分束镜控制泵浦光与激光的偏振方向,充分利用了泵浦光的能量,具有结构新颖、效率高、结构紧凑、工作安全、用途广泛的等特点,适用于1.19μm波段范围激光的产生于输出。
附图说明
图1为本发明光纤激光双端泵浦Ho3+激光晶体1.19μm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端泵浦Ho3+激光晶体1.19μm波段激光器的结构示意图。由图可见,本发明双端泵浦Ho3+激光晶体1.19μm波段激光器,包括掺杂Ho3+的激光晶体5,在掺杂Ho3+的激光晶体5水平光路上依次设置有第一光纤激光泵浦源1、第一光隔离器2、第一耦合系统3、偏振分光棱镜PBS 4、掺杂Ho3+激光晶体5及其冷却系统6、45°分束镜7、第二耦合系统8、第二光隔离器9、第二光纤激光泵浦源10;与所述水平光路垂直的竖直光路上偏振分光棱镜PBS 4的上面设置有凸透镜13、全反射端镜M211;与所述水平光路垂直的竖直光路上45°分束镜的下面设置有耦合输出镜M112;其中:
所述第一光隔离器2、第一耦合系统3、第二耦合系统8、第二光隔离器9的通光面均镀有1.10μm-1.50μm波段范围激光增透膜;
所述偏振分光棱镜PBS 4与与水平光路垂直与平行的四个通光面均镀有1.10μm-1.50μm波段范围激光增透膜,与第一光纤激光泵浦源1发出的泵浦光传播方向成135°的通光面镀有1.10μm-1.50μm波段范围激光‘p’偏振增透膜和‘s’偏振高反膜;
所述45°分束镜7两个通光面均镀有1.10μm-1.50μm波段范围激光‘p’偏振增透膜;
所述凸透镜13两通光面均镀有1.10μm-1.50μm波段范围激光增透膜;
所述全反射端镜M211靠近偏振分光棱镜PBS4的一面镀有1.10μm-1.50μm波段范围激光高反膜和2.0μm-3.0μm波段范围激光高透膜;
所述耦合输出镜M112靠近45°分束镜7的一面镀有1.194μm激光减反膜和2.0μm-3.0μm波段范围激光高透膜。
所述Ho3+激光晶体5为掺钬钇铝石榴石Ho3+:YAG、掺钬氟化镥锂Nd3+:LLF、掺钬氟化铅Ho3+:PbF2、掺钬氟化钇锂Ho3+:YLF激光晶体、共掺钬镨氟化镥锂Ho3+/Pr3+:LLF中的一种晶体,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。
所述第一光纤激光泵浦源1和第二光纤激光泵浦源10为同波长或者不同波长的1.13μm-1.18μm波段范围掺杂Yb3+光纤激光器或掺杂Yb3+拉曼光纤激光器作为泵浦源。
所述冷却系统6为水循环冷却系统或半导体冷却系统;
所述第一光纤激光泵浦源1发出的1.13μm-1.18μm波段范围激光,经过第一光隔离器2后,顺着第一光纤激光泵浦源1向第二光纤激光泵浦源10看,偏振方向逆时针旋转45°,与偏振分光棱镜PBS 4的‘p’偏振通光方向一致,经掺杂Ho3+激光晶体5吸收后,剩余1.13μm-1.18μm波段范围激光经45°分束镜7、第二耦合系统8到达第二光隔离器9,偏振方向顺时针旋转45°,与第二光纤激光泵浦源10发出的1.13μm-1.18μm波段范围激光偏振方向垂直,不能进入第二光纤激光泵浦源10;所述第二光纤激光泵浦源10发出的1.13μm-1.18μm波段范围激光,经过第二光隔离器9后,顺着第一光纤激光泵浦源1向第二光纤激光泵浦源10看,偏振方向顺时针旋转45°,与偏振分光棱镜PBS4的‘p’偏振通光方向一致,经45°分束镜7,被掺杂Ho3+激光晶体5吸收后,剩余1.13μm-1.18μm波段范围激光经偏振分光棱镜PBS4、第一耦合系统3、到达第一光隔离器2,偏振方向逆时针旋转45°,与第一光纤激光泵浦源1发出的1.13μm-1.18μm波段范围激光偏振方向垂直,不能进入第一光纤激光泵浦源1;
所述凸透镜13可以是双凸透镜或者平凸透镜的一种;
实施例1
参看图1为光纤激光双端泵浦Ho3+:LLF激光晶体1.194μm激光输出装置图。该装置中全反射端镜11、偏振分光棱镜PBS 4、45°分束镜7和耦合输出镜M112构成激光谐振腔。Ho3+:LLF激光晶体水平光路上依次设置有第一掺Yb3+光纤激光泵浦源1、第一光隔离器2、第一耦合系统3、偏振分光棱镜PBS 4、Ho3+:LLF激光晶体5及其循环水冷系统6、45°分束镜7、第二耦合系统8、第二光隔离器9、第二掺Yb3+光纤激光泵浦源10;与所述水平光路垂直的竖直光路上偏振分光棱镜4的上面设置有全反射端镜11、平凸透镜13;与所述水平光路垂直的竖直光路上45°分束镜的下面设置有耦合输出镜12。
所有镜片均固定在二维调整架上。全反射端镜11与耦合输出镜12直径均为Φ=12.7mm,曲率半径均为无穷大,其中全反射端镜M211靠近偏振分光棱镜PBS 4的一面镀有1.194μm激光高反膜(R>99.8%)和2.0μm波段激光高透膜(T>99%);所述耦合输出镜M112靠近45°分束镜7的一面镀有1.194μm激光减反膜(T=5%)和2.0μm-3.0μm波段激光高透膜((T>99%);
所述第一光隔离器2、第一耦合系统3、第二耦合系统8、第二光隔离器9的通光面均镀有1.1μm-1.5μm波段范围激光增透膜(T>95%);
所述偏振分光棱镜PBS 4与与水平光路垂直与平行的四个通光面均镀有1.10μm-1.50μm波段范围激光增透膜(T>99%),与第一光纤激光泵浦源1发出的泵浦光传播方向成135°的通光面镀有1.10μm-1.50μm波段范围激光‘p’偏振增透膜(T>99%)和‘s’偏振高反膜(R>99%);
所述冷却系统6为水循环冷却系统,设定温度为16℃。
Ho3+:LLF激光晶体中Ho3+的掺杂浓度为0.5at%,尺寸为1.5×5×10mm3,晶体两通光面均镀有1.137μm和1.194μm高透膜(T>99.8),侧面打毛并用铟箔包裹后放于水冷散热铜块中,c轴方向与偏振分光棱镜PBS 4的‘p’偏振通光方向平行。
1.194μm激光产生方法按如下步骤进行:
1)第一掺Yb3+拉曼光纤激光器1发出的1.137μm泵浦光,经过第一光隔离器2后,顺着第一掺Yb3+拉曼光纤激光器1向第二掺Yb3+拉曼光纤激光器10看,偏振方向逆时针旋转45°,与偏振分光棱镜PBS 4的‘p’偏振通光方向一致,经Ho3+:LLF激光晶体5吸收后,剩余1.137μm的激光经45°分束镜7、第二耦合系统8到达第二光隔离器9,偏振方向顺时针旋转45°,与第二掺Yb3+拉曼光纤激光器10发出的1.137μm激光偏振方向垂直,不能进入第二掺Yb3+拉曼光纤激光器10;
2)第二掺Yb3+拉曼光纤激光器10发出的1.137μm激光,经过第二光隔离器9后,顺着第一掺Yb3+拉曼光纤激光器1向第二掺Yb3+拉曼光纤激光器10看,偏振方向顺时针旋转45°,与偏振分光棱镜PBS 4的‘p’偏振通光方向一致,经45°分束镜7、Ho3+:LLF激光晶体5吸收后,剩余1.137μm激光经偏振分光棱镜PBS 4、第一耦合系统3、到达第一光隔离器2,偏振方向逆时针旋转45°,与第一掺Yb3+拉曼光纤激光器1发出的1.137μm激光偏振方向垂直,不能进入第一掺Yb3+拉曼光纤激光器1;
3)Ho3+:LLF激光晶体5吸收第一掺Yb3+拉曼光纤激光器1和第二掺Yb3+拉曼光纤激光器10发出的1.137μm波段范围激光后,Ho3+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1.194μm的荧光刺激下,1.194μm的受激荧光辐射在由全反射端镜M211、偏振分光棱镜PBS 4、45°分束镜7和耦合输出镜M112构成的谐振腔内往返振荡放大后形成稳定的‘s’偏振基频振荡光,并由耦合输出镜M112输出。

Claims (5)

1.一种光纤激光双端泵浦Ho3+激光晶体1.19μm波段激光器,包括掺杂Ho3+激光晶体(5),其特征在于,在掺杂Ho3+激光晶体(5)水平光路上依次设置有第一光纤激光泵浦源(1)、第一光隔离器(2)、第一耦合系统(3)、偏振分光棱镜PBS(4)、掺杂Ho3+激光晶体(5)及其冷却系统(6)、45°分束镜(7)、第二耦合系统(8)、第二光隔离器(9)和第二光纤激光泵浦源(10);在所述的偏振分光棱镜(4)的反射光方向即与所述水平光路垂直的光路上依次是凸透镜(13)和全反射端镜(11);在所述的45°分束镜(7)的反射光方向是耦合输出镜(12);所述第一光隔离器(2)、第一耦合系统(3)、第二耦合系统(8)、第二光隔离器(9)的通光面均镀有1.10μm-1.50μm波段范围激光增透膜;
所述偏振分光棱镜(4)与水平光路垂直和平行的四个通光面均镀有1.10μm-1.50μm波段范围激光增透膜,与第一光纤激光泵浦源(1)发出的泵浦光传播方向成135°的分光面镀有1.10μm-1.50μm波段范围激光‘p’偏振增透膜和‘s’偏振高反膜;
所述45°分束镜(7)两个通光面均镀有1.10μm-1.50μm波段范围激光‘p’偏振增透膜和‘s’偏振高反膜;
所述凸透镜(13)两通光面均镀有1.10μm-1.50μm波段范围激光增透膜;
所述全反射端镜(11)靠近偏振分光棱镜(4)的一面镀有1.10μm-1.50μm波段范围激光高反膜和2.0-3.0μm波段范围激光增透膜;
所述耦合输出镜(12)靠近45°分束镜(7)的一面镀有1.19μm波段范围激光减反膜和2.0-3.0μmμm波段范围激光增透膜。
2.根据权利要求1所述的光纤激光双端泵浦Ho3+激光晶体1.19μm波段激光器,其特征在于,所述Ho3+激光晶体为掺钬钇铝石榴石、掺钬氟化镥锂、掺钬氟化铅、掺钬氟化钇锂或共掺钬镨氟化镥锂激光晶体,晶体两通光面均镀有1.10μm-1.20μm波段范围与2.0μm-3.0μm波段范围激光增透膜。
3.根据权利要求1所述的光纤激光双端泵浦Ho3+激光晶体1.19μm波段激光器,其特征在于,所述第一光纤激光泵浦源(1)和第二光纤激光泵浦源(10)为同波长或者不同波长的1.13μm-1.18μm波段范围掺杂Yb3+光纤激光器或掺杂Yb3+拉曼光纤激光器。
4.根据权利要求1所述的光纤激光双端泵浦Ho3+激光晶体1.19μm波段激光器,其特征在于,所述冷却系统(6)为水循环冷却系统或半导体冷却系统。
5.根据权利要求1至4任一项所述的光纤激光双端泵浦Ho3+激光晶体1.19μm波段激光器,其特征在于,所述凸透镜(13)是双凸透镜或平凸透镜。
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