CN106129800A - 一种基于单泵浦或双泵浦的双波长可调激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单泵浦或双泵浦的双波长可调激光器，包括：泵浦源，用于产生波长为780nm的激光；聚焦透镜，用于对泵浦光780nm高透，将780nm泵浦光聚焦到晶体中；第一平凹折叠镜、第二平凹折叠镜，用于对780nm高透，对1895nm和1950nm高反；激光晶体，采用布儒斯特角进行切割，对两个通光端面进行抛光；平面反射镜，用于对1895nm和1950nm高反；输出镜，用于对1895nm和1950nm的光部分输出；平凹反射镜，用于对经过激光晶体没有吸收的剩余780nm激光二次反射进入激光晶体。本发明可实现双波长1895nm和1950nm、单波长1895nm、单波长1950nm的切换和功率分配。

Description

一种基于单泵浦或双泵浦的双波长可调激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种基于单泵浦或双泵浦的双波长可调激光器。

背景技术

目前，2μm波段激光是“人眼安全”激光，处于众所周知的“分子指纹”光谱区域，在环境监测、光通信、医学、计量学、军事等领域具有极其重要的应用。

Tm,Ho:LuLiF₄晶体能够产生1895nm和1950nm双波长激光，其波段接近2μm激光，与其他晶体相比具有低阈值、低声子等特点，特别适合作为2μm激光晶体。该双波长激光器可以应用到物质检测、激光测距、激光雷达、医疗、通讯等领域。利用非线性晶体对1895nm和1950nm双波长激光进行和频，可以得到961nm的近红外光。961nm激光属于红外波段，应用前景广阔，在激光加工方面，红外激光用于材料微加工、用于监测工业加工环境安全，红外激光还可应用于激光焊接，可以制造出超过原材料硬度的焊接缝。在医疗方面，该激光如果是长脉冲输出(200ms脉宽时)，它可以做到祛除毛发的功效；此激光如果是自由振荡模式输出时，它可以做眼科慢性泪道阻塞的治疗；在治疗皮肤科色等病时，多采用脉冲输出，也可以说是调Q，每脉冲的能量可达1J，脉宽可控制在10纳秒以内，这种激光器还可用于眼睛里(内眼)相关手术。在物质检测方面，961nm激光在近红外光谱区，近红外光谱区与有机分子中含氢基团(O-H、N-H、C-H)振动的和频和各级倍频的吸收区一致，通过扫描样品对该激光的吸收程度，可以得到样品中有机分子含氢基团的特征信息，而且利用该激光分析样品具有方便、快速、高效、准确和成本较低，不破坏样品，不消耗化学试剂，不污染环境等优点。在激光测距方面，961nm处于人眼不可见光区，相对于1064nm激光，961nm被大气吸收较少，因此具有良好的隐蔽性，且传输距离较 1064nm较长，可应用于激光测距。对1895nm和1950nm双波长激光进行差频可以得到75μm的远红外光，即4THz的相干辐射。太赫兹由于具有波长长、单个光子能量低等优点，在实际的生产生活中有重要的应用。太赫兹的频率介于0.1THz-10THz之间，对应波长介于3mm-30μm之间，位于电波到光波之间的过渡区域，这个波段的光波穿透性好，对被检物质没有任何损伤，所以在光学成像、检测和通讯中具有重要的应用价值。产生THZ波目前方法比较多，有电学方法和光学方法，但都比较复杂。光学方法中主要采用超短脉冲与物质作用产生，系统光路复杂，成本很高。将两个重复频率相同的相近波长进行差频，是近年来发展产生太赫兹波的新方法，该方法成本低，光路简单。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单泵浦或双泵浦的双波长可调激光器旨在低阈值、高效率、操作简单、可实现双波长1895nm和1950nm、单波长1895nm、单波长1950nm的三者切换红外激光器，同时为太赫兹波产生提供一种简单的方案。

本发明是这样实现的，基于单泵浦的双波长可调激光器，所述基于单泵浦的双波长可调激光器包括：

泵浦源，用于产生波长为780nm的激光；

聚焦透镜，用于对泵浦光780nm高透，将780nm泵浦光聚焦到晶体中；

第一平凹折叠镜、第二平凹折叠镜，用于对780nm高透，对1895nm和1950nm高反；

激光晶体，用于采用布儒斯特角进行切割，对两个通光端面进行抛光；

平面反射镜，用于对1895nm和1950nm高反；

输出镜，用于对1895nm和1950nm的光部分输出，镀有透过率为1.5％的介质膜；

所述基于单泵浦的双波长可调激光器的光路传播为：先由泵浦源产生 780nm/2.1W的连续光，通过聚焦透镜聚焦到氟化镥锂晶体中，第一平凹折叠镜、第二平凹折叠镜，平面反射镜和输出镜构成X型四境腔，通过调节输出镜左右旋钮实现双波长1895nm和1950nm、单波长1895nm、单波长1950nm的三者切换。

进一步，所述聚焦透镜通过二维可调镜架置于一维平移台上；第一平凹折叠镜通过二维可调镜架固定在304不锈钢立柱上。

进一步，所述激光晶体用铟箔包裹后夹持在紫铜冷却片内，紫铜冷却片连接恒温水循环系统，放置在40mm*40mm的一维平移台上；第二平凹折叠镜通过二可调镜架置于一维平移台上；平面反射镜和输出镜通过二维镜架固定在304不锈钢立柱上；

所述聚焦透镜，焦距f＝120mm；

所述第一平凹折叠镜和第二平凹折叠镜，凹面曲率半径f＝100mm。

进一步，所述泵浦源是波长为780nm的掺钛蓝宝石激光器，泵浦功率最高为2.1W；聚焦透镜的焦距为f＝120mm；第一平凹折叠镜、第二平凹折叠镜对1895nm和1950nm高反，反射率大于99.9％，凹面曲率半径均为R＝100mm；平面反射镜镀有对1895nm和1950nm高反介质膜，其反射率大于99.9％；输出镜对1895nm和1950nm镀有透过率为1.5％的介质膜；激光晶体介质为布儒斯特角切割的铥钬共掺氟化镥锂晶体，其中铥离子掺杂浓度为5％，钬离子掺杂浓度为0.5％。

本发明的另一目的在于提供一种所述基于单泵浦的双波长可调激光器的双泵浦的双波长可调激光器，所述双泵浦的双波长可调激光器安装有用于对剩余的780nm泵浦光进行二次反射进入晶体的平凹反射镜。

进一步，所述平凹镜镀有对泵浦光780nm高透的介质膜，透过率大于95％，同时对1895nm和1950nm高反，反射率大于99.9％；凹面曲率半径R＝200mm。

进一步，所述平凹镜通过二位可调镜架置放在二维平移台上。本发明提供的基于单泵浦或双泵浦的双波长可调激光器，可实现双波长1895nm和1950nm、 单波长1895nm、单波长1950nm的切换，可也实现双波长情况下1895nm和1950nm波长的功率分配。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述双波长可调激光器的激光测距方法。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述双波长可调激光器的材料微加工方法。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述双波长可调激光器的眼科慢性泪道阻塞治疗装置。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述双波长可调激光器的有机分子含氢基团特征信息扫描方法。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述双波长可调激光器的激光测距方法。

本发明低阈值功率、转换效率高、操作简单，提供的双波长激光器可以作为4THz相干辐射的产生源，应用到物质检测、激光测距、激光雷达、医疗、通讯等许多领域。本发明利用非线性晶体对1895nm和1950nm双波长激光进行和频，可以得到961nm的近红外光，对1895nm和1950nm双波长激光进行差频可以得到75μm的远红外光，即4THz的相干辐射。具体方法如下：利用聚焦系统将双波长激光照射到谐振腔外放置的合适的非线性材料上，通过腔外和频产生961nm的近红外光，或腔外差频产生太赫兹辐射，或者将非线性材料直接放入激光谐振腔内，通过腔内和频产生961nm的近红外光，腔内差频产生太赫兹辐射，所述合适性的材料可以是周期性的铌酸锂，合适切向的KTP、LBO、BiBO、DAST、砷化镓、磷化镓等。第一平凹折叠镜、第二平凹折叠镜，平面反射镜和输出镜构成X型四境腔，该腔型的优点是可以在晶体中实现很小的模斑，阈值低，易于实现克尔锁模运转；同时进过凹面反射镜，可将剩余的泵浦光二次聚焦到激光晶体中，使出光阈值更低，效率更高。

如图6所示，得出单泵1895nm和1950nm双波长激光器的阈值功率为 147mW，相对于泵浦功率的斜效率为24.56％，2.1W对应的输出功率为493mW；单泵1950nm单波长激光器的阈值功率为112mW，相对于泵浦功率的斜效率为31.67％，2.1W对应的输出功率为625mW。单泵1895nm单波长激光器的阈值功率为190mW，相对于泵浦功率的斜效率为18.86％，2.1W对应的输出功率为359mW。如图7所示，得出单泵1895nm和1950nm双波长激光器相对于吸收泵浦功率的斜效率为57.51％，单泵1950nm单波长激光器相对于吸收泵浦功率的斜效率为74.22％，单泵1895nm单波长激光器相对于吸收泵浦功率的斜效率为43.93％。如图9所示，得出双泵1895nm和1950nm双波长激光器的阈值功率为110mW，相对于泵浦功率的斜效率为27.95％，2.1W对应的输出功率为575mW；单泵1950nm单波长激光器的阈值功率为89mW，相对于泵浦功率的斜效率为36.02％，2.1W对应的输出功率为716mW。单泵1895nm单波长激光器的阈值功率为160mW，相对于泵浦功率的斜效率为23.51％，2.1W对应的输出功率为450mW。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于单泵浦或双泵浦的双波长可调激光器光路原理示意图。

图2是本发明实施例提供的激光晶体对780nm波长泵浦光的吸收效率为42.65％，泵浦功率为2.1W时激光晶体吸收为功率为1W示意图。

图3是本发明实施例提供的单泵双波长激光器光谱曲线示意图。

图4是本发明实施例提供的单泵1950nm单波长激光器光谱曲线示意图。

图5是本发明实施例提供的单泵1895nm单波长激光器光谱曲线示意图。

图6是本发明实施例提供的单泵浦下不同输入泵浦功率对应的输出光平均功率示意图。

图7是本发明实施例提供的单泵浦下不同吸收泵浦功率对应的输出光平均功率示意图。

图8是本发明实施例提供的1895nm和1950nm双泵浦的双波长可调激光器光路原理示意图。

图9是本发明实施例提供的双泵浦下不同输入泵浦功率对应的输出光平均功率示意图。

图1和图8中：1、泵浦源；2、聚焦透镜；3、第一平凹折叠镜；4、激光晶体；5、第二平凹折叠镜；6、平面高反镜；7、输出镜；8、凹面反射镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例的基于单泵浦的双波长可调激光器包括：一个泵浦源1、一个聚焦透镜2、激光晶体4、第一平凹折叠镜3、第二平凹折叠镜5、一个平面高反镜6和一个输出镜7采用X型激光谐振腔组合而成。

元件的具体参数如下：泵浦源1是波长为780nm的掺钛蓝宝石激光器，泵浦功率最高为2.1W；聚焦透镜2的焦距为f＝120mm；第一平凹折叠镜3、第二平凹折叠镜5对泵浦光780nm高透，其透过率大于95％、对1895nm和1950nm高反，其反射率大于99.9％的介质膜，凹面曲率半径R＝100mm；激光晶体4是Tm,Ho:LuLiF₄晶体，采用布儒斯特角进行切割，对两个通光端面进行抛光，铥(Tm)的参杂浓度为5％，钬(Ho)的参杂浓度为0.5％，尺寸3*3*8mm；高反射镜6镀有对1895nm和1950nm高反，其反射率大于99.9％的介质膜；输出镜7对1895nm和1950nm镀有透过率为1.5％的介质膜。

具体安装要求如下：将聚焦透镜2通过二维可调镜架置于一维平移台上，尺寸可随便选取，量程±12.5mm。第一平凹折叠镜3通过二维可调镜架固定在304不锈钢立柱上。激光晶体4用铟箔包裹后夹持在紫铜冷却片内，实验过程中 采用循环水系统对紫铜晶体夹进行冷却，水温维持在14℃左右，目的是为了避免损伤激光介质。紫铜冷却片放置在40mm*40mm的一维平移台上，晶体抛光端面与入射泵浦光束夹角为布儒斯特角。第二平凹折叠镜5通过二维可调镜架置于一维平移台上，尺寸可随便选取，量程±12.5mm。高反射镜6和输出镜7通过二维镜架固定在304不锈钢立柱上。

激光器调节如下：全部元件安装在光学平台上，整个激光振荡光路距光学平台的高度为90.5mm，激光振荡腔的总长为898mm。腔型采用的是X型折叠腔结构，其中聚焦透镜2与激光晶体的中心距离为120mm左右，第一平凹折叠镜3与激光晶体的中心距离为55mm左右，第一平凹折叠镜3与第二平凹折叠镜5的距离为110mm左右，高反镜6距第二平凹折叠镜5的距离为405mm左右，输出镜7与第一平凹折叠镜3的距离为380mm左右，两臂与泵浦光夹角的锐角在15度左右。通过调节各个光路元件，使其在腔内形成激光振荡从而输出激光，进而优化光路使其功率最大，最后旋转控制输出镜左右旋转方向的旋钮可以实现双波长1895nm和1950nm、单波长1895nm、单波长1950nm的三者切换，可也实现双波长情况下1895nm和1950nm波长的功率分配。

如图8所示，在1895nm和1950nm单泵浦的双波长可调激光器技术方案的基础上加上平凹镜8组成双泵浦的双波长可调激光器。

元件的具体参数如下：1895nm和1950nm单泵浦的双波长可调激光器参数都不变，平凹镜8镀有对泵浦光780nm高反的介质膜，反射率大于99.9％。

具体安装要求如下：1895nm和1950nm单泵浦的双波长可调激光器安装都不变，平凹镜8通过二位可调镜架置放在二维平移台上，行程±12.5mm，尺寸可随便选取。

激光器调节如下：1895nm和1950nm单泵浦的双波长可调激光器技术方案的最优化光路基础上，调节平凹镜8使之经过凹面反射的光的焦点入射到晶体另一抛光端面，光束与原有泵浦光束重合，通过调节二维镜架的左右和俯仰，使之功率达到最高。最后旋转控制输出镜左右旋转方向的旋钮可以实现双波长 1895nm和1950nm、单波长1895nm、单波长1950nm的三者切换，可也实现双波长情况下1895nm和1950nm波长的功率分配。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作详细的描述。

实施例1：

本发明的实施例1如图1所示，由泵浦源1、聚焦透镜2、激光晶体4、第一平凹折叠镜3、第二平凹折叠镜5、平面高反镜6和输出镜7采用X型激光谐振腔组合而成。其特征在于激光晶体4是Tm,Ho:LuLiF₄晶体，采用布儒斯特角进行切割，对两个通光端面进行抛光；第一平凹折叠镜3、第二平凹折叠镜5镀有对泵浦光780nm高透，对1895nm和1950nm高反的介质膜；高反射镜6镀有对1895nm和1950nm高反的介质膜；输出镜7对1895nm和1950nm镀有部分透过的介质膜。从而得到1895nm和1950nm的同时或单个输出。

泵浦源1可以是波长为780nm的掺钛蓝宝石激光器，也可以是波长为780nm的半导体激光器或光纤耦合输出的半导体激光器，泵浦方式为端面泵浦。

通过实施例1的调节方法调节光路可以得出图2、图3、图4的光谱曲线图，通过改变泵浦功率大小改变不同波长功率的大小。如图6所示，得出单泵1895nm和1950nm双波长激光器的阈值功率为147mW，相对于泵浦功率的斜效率为24.56％，2.1W对应的输出功率为493mW；单泵1950nm单波长激光器的阈值功率为112mW，相对于泵浦功率的斜效率为31.67％，2.1W对应的输出功率为625mW。单泵1895nm单波长激光器的阈值功率为190mW，相对于泵浦功率的斜效率为18.86％，2.1W对应的输出功率为359mW。如图7所示，得出单泵1895nm和1950nm双波长激光器相对于吸收泵浦功率的斜效率为57.51％，单泵1950nm单波长激光器相对于吸收泵浦功率的斜效率为74.22％，单泵1895nm单波长激光器相对于吸收泵浦功率的斜效率为43.93％。

实施例2：

本发明的实施例2如图8所示，由泵浦源1、聚焦透镜2、激光晶体4、第一平凹折叠镜3、第二平凹折叠镜5、平面高反镜6、输出镜7和平凹镜8组合而成。只是在实施例1的基础上加上平凹镜8，实施例1中的组件参数不变，平 凹镜8镀有对泵浦光780nm高反，其反射率大于99.9％的介质膜，凹面曲率半径R＝200mm；

泵浦源1可以是波长为780nm的掺钛蓝宝石激光器，也可以是波长为780nm的半导体激光器或光纤耦合输出的半导体激光器，泵浦方式为端面泵浦。

通过实施例1的调节方法调节光路可以得出图2、图3、图4的光谱曲线图，结合实施例2可以提高激光晶体对780nm泵浦光的吸收效率，进而降低出光阈值功率，更高的输出光斜效率。通过改变泵浦功率大小改变不同波长功率的大小。如图9所示，得出双泵1895nm和1950nm双波长激光器的阈值功率为110mW，相对于泵浦功率的斜效率为27.95％，2.1W对应的输出功率为575mW；单泵1950nm单波长激光器的阈值功率为89mW，相对于泵浦功率的斜效率为36.02％，2.1W对应的输出功率为716mW。单泵1895nm单波长激光器的阈值功率为160mW，相对于泵浦功率的斜效率为23.51％，2.1W对应的输出功率为450mW。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于单泵浦的双波长可调激光器，其特征在于，所述基于单泵浦的双波长可调激光器包括：

泵浦源，用于产生波长为780nm的激光；

聚焦透镜，用于对泵浦光780nm高透，将780nm泵浦光聚焦到晶体中；

第一平凹折叠镜、第二平凹折叠镜，用于对780nm高透，对1895nm和1950nm高反；

激光晶体，用于采用布儒斯特角进行切割，对两个通光端面进行抛光；

平面反射镜，用于对1895nm和1950nm高反；

输出镜，用于对1895nm和1950nm的光部分输出，镀有透过率为1.5％的介质膜；

所述基于单泵浦的双波长可调激光器的光路传播为：先由泵浦源产生780nm/2.1W的连续光，通过聚焦透镜聚焦到氟化镥锂晶体中，第一平凹折叠镜、第二平凹折叠镜，平面反射镜和输出镜构成X型四境腔，通过调节输出镜左右旋钮实现双波长1895nm和1950nm、单波长1895nm、单波长1950nm的三者切换。

2.如权利要求1所述的基于单泵浦的双波长可调激光器，其特征在于，所述聚焦透镜通过二维可调镜架置于一维平移台上；第一平凹折叠镜通过二维可调镜架固定在304不锈钢立柱上。

3.如权利要求1所述的基于单泵浦的双波长可调激光器，其特征在于，所述激光晶体用铟箔包裹后夹持在紫铜冷却片内，紫铜冷却片连接恒温水循环系统，放置在40mm*40mm的一维平移台上；第二平凹折叠镜通过二可调镜架置于一维平移台上；平面反射镜和输出镜通过二维镜架固定在304不锈钢立柱上；

所述聚焦透镜，焦距f＝120mm；

所述第一平凹折叠镜和第二平凹折叠镜，凹面曲率半径f＝100mm；

所述泵浦源是波长为780nm的掺钛蓝宝石激光器，泵浦功率最高为2.1W；聚焦透镜的焦距为f＝120mm；第一平凹折叠镜、第二平凹折叠镜对1895nm和1950nm高反，反射率大于99.9％，凹面曲率半径均为R＝100mm；平面反射镜镀有对1895nm和1950nm高反介质膜，其反射率大于99.9％；输出镜对1895nm和1950nm镀有透过率为1.5％的介质膜；激光晶体介质为布儒斯特角切割的铥钬共掺氟化镥锂晶体，其中铥离子掺杂浓度为5％，钬离子掺杂浓度为0.5％。

4.一种如权利要求1所述基于单泵浦的双波长可调激光器的双泵浦的双波长可调激光器，其特征在于，所述双泵浦的双波长可调激光器安装有用于对剩余的780nm泵浦光进行二次反射进入晶体的平凹反射镜。

5.如权利要求4所述的双泵浦的双波长可调激光器，其特征在于，所述平凹镜镀有对泵浦光780nm高透的介质膜，透过率率大于95％，同时对1895nm和1950nm高反，反射率大于99.9％；凹面曲率半径R＝200mm；

所述平凹镜通过二位可调镜架置放在二维平移台上。

6.一种应用权利要求1或4所述双波长可调激光器的激光测距方法。

7.一种应用权利要求1或4所述双波长可调激光器的材料微加工方法。

8.一种应用权利要求1或4所述双波长可调激光器的眼科慢性泪道阻塞治疗装置。

9.一种应用权利要求1或4所述双波长可调激光器的有机分子含氢基团特征信息扫描方法。

10.一种应用权利要求1或4所述双波长可调激光器的激光测距方法。