CN107394577B - 一种中红外全固态激光器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种中红外全固态激光器，所述中红外全固态激光器采用钨酸盐晶体作为拉曼增益介质，通过受激拉曼散射技术实现3～4μm波段中红外激光输出；该激光器具有结构紧凑简单、成本低、环境适应性强等优势。

Description

一种中红外全固态激光器

技术领域

本申请涉及一种中红外全固态激光器，属于中红外激光器领域。

背景技术

3～4μm波段处于光谱中的中红外波段，该波段的激光在激光医疗、光谱学、气体环境监测、红外光电对抗等领域具有十分重要的应用。目前3～4μm波段激光主要采用以下几种技术方案加以实现：一、中红外光参量振荡激光器(OPO)：这类激光器结构复杂、装调精度要求极高，对温度、振动等环境因素的要求也较为苛刻，同时由于激光器中采用的中红外非线性晶体生长难度大，导致成本较高，因此在许多应用方面受到了限制。二、中红外半导体激光器:主要采用半导体作为激光介质，其材料制备难度高，输出光束质量差、制备工艺难度大，通常需要在极低的温度下运转。三、中红外光纤激光器:该类型激光器采用氟化物与硫化物光纤作为激光增益介质实现中红外激光输出。由于光纤激光的增益介质长，调Q运转时激光脉冲宽度较宽，峰值功率低。并且，光纤非线性效应严重，输出激光的谱线往往较宽，较小的芯径尺寸使其在短脉冲高能量激光运转下容易烧毁。上述激光器要么价格昂贵，要么维护困难，要么对环境条件要求高，难以获得广泛推广。而采用受激拉曼增益实现中红外波段激光技术具有结构紧凑、牢固耐用、转换效率高、稳定性强、光束质量好等优点，非常适合于市场化推广应用。目前仅有一篇报道采用该技术实现>3.0μm波段激光，即采用波长为2.48μm的OPO作为泵浦源，金刚石作为拉曼增益介质，成功实现了3.38～3.8μm波段可调谐中红外激光，但是由于其采用了OPO激光器作为基频光源，增加了系统的复杂性，同时拉曼增益介质采用了金刚石，基频光源与拉曼增益介质的成本都非常高，整体激光器的体积也较庞大。

发明内容

本申请提供的了一种中红外全固态激光器，该中红外全固态激光器具有结构紧凑简单、成本低、环境适应性强等优势。

所述中红外全固态激光器采用钨酸盐晶体作为拉曼增益介质，输出中红外波段激光。

优选地，所述中红外全固态激光器输出3μm～4μm波段中红外激光。

优选地，所述中红外全固态激光器输出3.5μm～3.7μm波段中红外激光。

优选地，所述钨酸盐晶体选自钨酸钡、钨酸钠、钨酸钇钠、钨酸钆钾、钨酸钇钾、钨酸钙、钨酸钴、钨酸镉、钨酸亚铁、钨酸锌、钨酸铅中的至少一种。

优选地，所述中红外全固态激光器的基频光由Er³⁺激活的激光晶体产生。

优选地，所述中红外全固态激光器的基频光为Er³⁺激活的激光晶体产生的2.7～2.8μm波段的中红外激光。

优选地，所述Er³⁺激活的激光晶体为Er³⁺：GGG晶体(铒离子掺杂的钆镓石榴石)、Er^{3 +}：YAP晶体(铒离子掺杂的钙钛矿型铝酸钇)、Er³⁺：YSGG晶体(铒离子掺杂的钇钪镓石榴石)中的至少一种。

优选地，所述Er³⁺：GGG晶体中Er的摩尔掺杂浓度为30～50％。

优选地，所述的中红外全固态激光器，包括泵浦源、光学耦合系统和激光谐振腔；其中，所述激光谐振腔内包含激光晶体、调Q元件、拉曼增益介质。

优选地，所述激光晶体、调Q元件、拉曼增益介质按前后顺序沿光路排列。

优选地，所述拉曼增益介质位于激光谐振腔内形成内腔式拉曼频移激光器。

所述激光晶体为Er³⁺激活的激光晶体；拉曼增益介质为钨酸盐晶体。

优选地，所述激光谐振腔内还包括输入镜、中间镜和输出镜。

优选地，所述激光谐振腔的晶体元件的制冷方式选自通冷却水的铜块制冷、半导体制冷器TEC制冷。

优选地，所述泵浦源为半导体泵浦激光器或者氙灯来泵浦。

优选地，所述泵浦源为至少一个输出波长包括967nm的半导体泵浦激光器。

优选地，所述泵浦源采用端面泵浦或者侧面泵浦。

所述半导体泵浦源可以运转于连续模式，也可以运转于斩波模式。

所述拉曼晶体通光面需要抛光，可以采用镀膜或不镀膜，按本领域常规技术加工即可。

针对目前3～4μm波段中红外激光器存在的问题，本发明提供基于Er激光器作为基频光，钨酸盐作为拉曼增益介质，采用拉曼受激散射技术，从而实现中红外激光的技术方案。

本申请的中红外激光器包括泵浦源、光学耦合系统及一组激光腔，泵浦源采用端面泵浦或侧面泵浦，激光腔内包含Er掺杂的激光晶体、调Q元件、钨酸盐拉曼晶体，这些晶体按前后顺序排列，使得泵浦光泵浦Er掺杂的激光晶体，并通过电光、声光或者被动调Q元件实现高峰值功率的脉冲振荡并通过拉曼介质实现一阶斯托克顿的拉曼激光输出。

本申请能产生的有益效果包括：

本申请中提供的中红外全固态激光器采用受激拉曼增益实现中红外波段激光技术具有结构紧凑、牢固耐用、转换效率高、稳定性强、光束质量好等优点，克服了现有技术中3～4μm波段中红外激光器存在的结构复杂，成本高以及对环境要求苛刻等缺陷。

附图说明

图1为实施例1中采用端泵模式基于铒激光的腔内受激拉曼激光器结构图；图中，1、光纤耦合半导体端面泵浦模块，2、光束耦合系统，3、激光晶体，4、调Q元件，5、平面中间镜，6、拉曼增益介质，7、平凹输入镜，8、平凹输出镜。

图2为实施例2中采用侧泵模式基于铒激光的腔内受激拉曼激光器结构图；图中，1、半导体侧面泵浦模块，3、激光晶体，4、调Q元件，5、平平中间镜，6、拉曼增益介质，7、平凹输入镜，8、平凹输出镜。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如无特别说明，本申请的实施例中的原料和催化剂均通过商业途径购买。

实施例1

采用端泵模式基于铒激光的腔内受激拉曼激光器，结构图如图1所示。

该激光器由光纤耦合半导体端面泵浦模块1、光束耦合系统2、平凹输入镜7、激光晶体3、调Q元件4、平面中间镜5、拉曼增益介质6、平凹输出镜8沿光路顺序排列而成。

所述激光晶体3是Er³⁺:GGG晶体，Er³⁺离子的摩尔掺杂浓度为50％，Er³⁺:GGG晶体的尺寸为3×3×5mm³，其中通光方向长度为5mm，晶体通光面上抛光，并镀上对基频光(2.7μm)的增透膜。

所述拉曼增益介质6为BaWO₄晶体，晶体尺寸为5×5×30mm³，其中通光方向为a轴，通光长度为30mm，晶体通光面上抛光，并镀上对基频光(2.7μm)与拉曼光(3.6μm)的增透膜。

所述光纤耦合半导体端面泵浦模块1是输出波长为967nm的半导体激光二极管，耦合光纤的直径为200μm，数值孔径为0.22。

所述光束耦合系统2是采用1:1的聚焦系统，将半导体泵浦源发出的激光聚焦在晶体的内部，光斑直径为200μm。

所述调Q元件4为Fe²⁺:ZnSe被动调Q晶体，晶体的厚度约为3mm。

所述的平凹输入镜7为凹面曲率半径为500mm的平凹镜，在镜片上镀以对泵浦光(976nm)透过率大于99％，对基频光(2.7μm)反射率大于99％的介质膜。平面中间镜5为平平镜片，在平平镜靠激光晶体侧的一面上镀以对基频光(2.7μm)透过率大于99％的介质膜，在靠拉曼增益晶体侧的一面上镀以对拉曼光(3.6μm)反射率大于99％并对基频光(2.7μm)透过率大于99％的介质膜。平凹输出镜8为凹面曲率半径为500mm的平凹镜，在镜片上镀以对基频光(2.7μm)反射率大于99％并且对拉曼光(3.6μm)透过率为1％的介质膜。

上述激光器的工作流程为波长为967nm的光纤耦合半导体泵浦源发射出泵浦光，通过光束耦合系统聚焦在晶体内部，通过受激发射产生2705nm波段的激光，该激光在调Q元件4的作用下在平凹输入镜7与平凹输出镜8之间的激光谐振腔内产生ns量级的脉冲振荡。以该脉冲激光作为基频光，通过拉曼增益介质6实现一阶斯托克顿拉曼散射并在平面中间镜5与平凹输出镜8之间的谐振腔来回振荡最终将基频光大部分转换成一阶拉曼光，最终的激光输出波长为3607nm的中红外激光。

实施例2

采用侧泵模式基于铒激光的腔内受激拉曼激光器，结构图如图2所示。

该激光器由平凹输入镜7、激光晶体3、调Q元件4、平面中间镜5、拉曼增益介质6、平凹输出镜8沿光路顺序排列而成；半导体端面泵浦模块1位于Er³⁺掺杂激光晶体的侧面。

所述激光晶体3是Er³⁺:GGG晶体，Er³⁺离子的摩尔掺杂浓度为50％，Er³⁺:GGG晶体的尺寸为Ф6×80mm³的圆棒，其中通光方向长度为80mm，晶体通光面上抛光，并镀上对基频光(2.7μm)的增透膜。

所述拉曼增益介质6为BaWO₄晶体，尺寸与镀膜参数与实施例1中的相同。

所述半导体侧面泵浦模块1是输出波长为967nm的半导体激光阵列。

所述调Q元件4与实施例1中的相同。

所述的平凹输入镜7、平平中间镜5与平凹输出镜8与实施例1中的相同。

上述激光器的工作流程为波长为967nm的半导体泵浦源1位于晶体的两侧，其发射出泵浦光被激光晶体3吸收，通过受激发射产生2705nm波段的激光，该激光在调Q元件4的作用下在平凹输入镜7与平凹输出镜8之间的激光谐振腔内产生ns量级的脉冲振荡。以该脉冲激光作为基频光，通过拉曼增益介质6实现一阶斯托克顿拉曼散射并在平平中间镜5与平凹输出镜8之间的谐振腔来回振荡最终将基频光大部分转换成一阶拉曼光，最终的激光输出波长为3607nm的中红外激光。

实施例3

结构图如图1所示，只是拉曼增益介质6为PbWO₄晶体，其他与实施例1相同，由于其拉曼频移为903cm^-1，输出波长为3579nm的中红外激光。

实施例4

结构图如图1所示，只是激光晶体3为Er³⁺:YAP晶体，其他与实施例3相同，由于其基频光发射波长为2730nm，输出波长为3652nm的中红外激光。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种中红外全固态激光器，其特征在于，所述中红外全固态激光器采用钨酸盐晶体作为拉曼增益介质，输出中红外波段激光；

所述中红外全固态激光器的基频光由Er³⁺激活的激光晶体产生；

所述中红外全固态激光器的基频光为Er³⁺激活的激光晶体产生的2.7～2.8μm波段的中红外激光；

所述中红外全固态激光器输出3.5μm～3.7μm波段中红外激光；

所述中红外全固态激光器包括由平凹输入镜和平凹输出镜形成的激光谐振腔，所述激光谐振腔内沿光路方法依次排列Er³⁺激活的激光晶体、调Q元件、拉曼增益介质；

所述调Q元件与拉曼增益介质之间设有中间镜。

2.根据权利要求1所述的中红外全固态激光器，其特征在于，所述钨酸盐晶体选自钨酸钡、钨酸钠、钨酸钇钠、钨酸钆钾、钨酸钇钾、钨酸钙、钨酸钴、钨酸镉、钨酸亚铁、钨酸锌、钨酸铅中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的中红外全固态激光器，其特征在于，所述Er³⁺激活的激光晶体为Er³⁺：GGG晶体、Er³⁺：YAP晶体、Er³⁺：YSGG晶体中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的中红外全固态激光器，其特征在于，所述Er³⁺：GGG晶体中Er的摩尔掺杂浓度为30～50％。

5.根据权利要求1至4任一项所述的中红外全固态激光器，包括泵浦源、光学耦合系统和激光谐振腔。

6.根据权利要求5所述的中红外全固态激光器，其特征在于，

所述拉曼增益介质位于激光谐振腔内形成内腔式拉曼频移激光器。

7.根据权利要求5所述的中红外全固态激光器，其特征在于，所述激光谐振腔的晶体元件的制冷方式选自通冷却水的铜块制冷或半导体制冷器制冷。

8.根据权利要求5所述的中红外全固态激光器，其特征在于，所述泵浦源为半导体泵浦激光器或者氙灯。

9.根据权利要求5所述的中红外全固态激光器，其特征在于，所述泵浦源为至少一个输出波长包括967nm的半导体泵浦激光器。

10.根据权利要求5所述的中红外全固态激光器，其特征在于，所述泵浦源采用端面泵浦或者侧面泵浦。