CN108336636A - 一种单晶光纤激光器 - Google Patents

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方忠庆
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胡伦珍
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Abstract

本发明公开了一种单晶光纤激光器。具体的，所述激光器包括泵浦源、第一谐振腔、第二谐振腔和单晶光纤；所述单晶光纤设置于所述第一谐振腔内；所述第一谐振腔和所述第二谐振腔级联设置；所述泵浦源用于发射泵浦光，并将所述泵浦光传输给所述单晶光纤；所述单晶光纤用于在所述第一谐振腔内将所述泵浦光转换成总波段激光；所述第一谐振腔用于对所述总波段激光中的第一波段激光进行振荡；所述第二谐振腔用于对所述第二波段激光进行振荡。本发明利用单晶光纤结合了棒状晶体和光纤增益的双重优点，减小热透镜效应，获得高光束质量的激光，采用第一谐振腔和第二谐振腔级联的结构，可实现1.6和2.7‑3μm波段的双波长激光输出，减小了中红外激光下能级寿命。

Description

一种单晶光纤激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种单晶光纤激光器。
背景技术
掺铒离子激光材料，其中4I13/2→4I15/2和4I11/2→4I13/2的能级跃迁，可分别产生1.6和2.7-3μm波段的激光，1.6μm附近激光波长对人眼安全，可以用于通讯领域，2.7-3μm波段与水的强吸收峰位置重叠，因而水对它的吸收率特别高，是精细外科手术理想的工作波段，这一性质使铒激光在生物和医学领域已得了非常广泛的应用。另外，用2.7-3μm激光泵浦红外非线性晶体实现光参量振荡，能够获得3～19μm的红外光源，可用于光电对抗(干扰)、红外照明、激光雷达、自由空间通信、化学和生物战剂的探测、环境污染监测以及反恐等领域。此外，在某些应用领域需要激光具有具有高效率、高光束质量及高稳定性等性能。
由于光纤的良好散热特性，光纤激光具有光转换效率高，输出光束质量好和维护成本低或免维护等特点。当前2.2μm以下的光纤激光发展较为成熟，主要采用石英玻璃作为基质，由于石英材料的声子能量高达1100cm-1，因此在2.2μm波长以上传输损耗会很大，通常需要选用声子能量较低的基质，如氟化物(550cm-1)和硫化物(300-450cm-1)，但是以上两种基质为光纤的质量较难提高，容易产生散射损耗，而且这两种基质的抗辐射性能较差，很难在强辐射环境下应用。
单晶光纤能够结合棒状晶体和光纤增益的双重优点，因此是实现高效、高重复频率、高光束质量的近、中红外激光较理想激光工作物质。GYSGG晶体是优良的固体激光基质材料，它具有优良的抗辐射特性，而且声子能量(730cm-1)也较低，是实现中红外激光空间强辐射环境应用较理想的基质材料，并且采用熔体提拉法可以获得高光学质量的单晶。目前已有在Er:GYSGG晶体中(Chen,et al,Er3+doped GYSGG crystal as a new lasermaterial resistant to ionizing radiation,Optics Communications,2013,301-302:84-87)，获得了348mW的2.79μm激光输出结果的报道，并且在100Mrad的60Co gamma射线辐照后，其激光性能几乎没有受到影响。
此外，导致Er3+和Ho3+离子掺杂的晶体在2.7-3μm波段激光效率比较低的主要原因之一，是它们的下能级寿命比较长，当激活离子下能级寿命较长时，会对粒子数反转产生不利的影响，从而导致激光阈值增高和效率降低。因此，解决它们下能级寿命过长的问题，是提高它们激光效率的关键之一。通过掺入与Er3+、Ho3+的下能级有相近能级结构的能级耦合离子，可加速激光下能级粒子抽空速率，使Er3+、Ho3+的下能级寿命得到减小，激光阈值降低，激光转换效率得到提高。Chen[19]等人(Chen,et al,Spectroscopic properties anddiode end-pumped 2.79μm laser performance of Er,Pr:GYSGG crystal,Opt.Express,2013,21:23425.)在Er:GYSGG中掺入了少量的Pr3+后，Er3+激光效率有了一定的提高，这是由于Pr3+的掺入降低了Er3+下能级寿命。可是上述能级耦合方法中，虽然下能级寿命得到了较大幅度的减小，但同时上能级寿命也有一定程度的下降，导致掺入的退激活离子浓度不能很高，仅约0.15at％左右。因此单靠能级耦合方法对于改善激光性能的作用受到限制，无法克服掺铒或钬晶体的中红外激光下能级寿命较长和激光元件热透镜效应严重的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种单晶光纤激光器，以克服掺铒或钬晶体中红外激光下能级寿命较长和激光元件热透镜效应严重的技术缺陷。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种单晶光纤激光器，所述激光器包括泵浦源、第一谐振腔、第二谐振腔和单晶光纤；
所述单晶光纤设置于所述第一谐振腔内；
所述第一谐振腔和所述第二谐振腔级联设置；
所述泵浦源用于发射泵浦光，并将所述泵浦光传输给所述单晶光纤；
所述单晶光纤用于在所述第一谐振腔内将所述泵浦光转换成总波段激光，所述总波段激光包括第一波段激光和第二波段激光；
所述第一谐振腔用于对所述总波段激光中的第一波段激光进行振荡，并将所述总波段激光中的第二波段激光传输给所述第二谐振腔；
所述第二谐振腔用于对所述第二波段激光进行振荡。
可选的，所述第一谐振腔为二色镜和第一介质镜组成的腔体；所述单晶光纤设置于所述二色镜和第一介质镜之间；
所述二色镜用于将所述泵浦源发射的所述泵浦光反射进入所述单晶光纤；
所述单晶光纤用于对所述泵浦光进行转换，获得所述总波段激光；所述总波段激光包括第一波段激光和第二波段激光；
所述第一介质镜用于对所述总波段激光中的第一波段激光进行反射，并结合所述二色镜使所述第一波段激光在所述二色镜和所述第一介质镜之间进行振荡，形成低阈值的第一波段激光谐振荡。
可选的，所述第二谐振腔为第一介质镜和第二介质镜组成的腔体；
所述第一介质镜用于对所述总波段激光中的第二波段激光进行透射，获得透射的第二波段激光；
所述第二介质镜用于对所述透射的第二波段激光进行反射，并结合所述第一介质镜使所述透射的第二波段激光在所述第一介质镜和所述第二介质镜之间振荡，形成低阈值的第二波段激光谐振荡。
可选的，所述激光器还包括第一聚焦透镜，所述第一聚焦透镜设置于所述泵浦源和所述第一谐振腔之间；所述第一聚焦透镜用于对所述泵浦源产生的泵浦光进行聚光，获得聚光后的泵浦光，并将所述聚光后的泵浦光传输给所述第一谐振腔。
可选的，所述激光器还包括激光能量计，所述激光能量计用于计量由二色镜透射出的第一波段激光和第二波段激光。
可选的，所述激光器还包括第二聚焦透镜，所述第二聚焦透镜设置于所述第一介质镜和第二介质镜之间，所述第二聚焦透镜用于对所述透射激光进行聚焦，获得聚焦后的透射激光，并将所述聚焦后的透射激光传输给所述第二介质镜。
可选的，所述单晶光纤为中红外抗辐射Er,Ho(Re):GYSGG系列单晶光纤，分子式为Erx,Rey:Gd3-3x-3y-3zY3zSc2Ga3O12或Hox,Rey:Gd3-3x-3y-3zY3zSc2Ga3O12，其中，x为Er或Ho的掺杂度，y表示Re的掺杂度，z表示Gd的掺杂度。
可选的，所述Er或Ho的掺杂度为：0.1-10at％，Re的掺杂度为0.01-0.5at％。
可选的，所述第一波段激光包括2.7-3um波段激光。
可选的，所述第二波段激光包括1.6um波段激光。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种单晶光纤激光器，所述激光器包括泵浦源、第一谐振腔、第二谐振腔和单晶光纤；所述单晶光纤设置于所述第一谐振腔内；所述第一谐振腔和所述第二谐振腔级联设置；利用单晶光纤结合了棒状晶体和光纤增益的双重优点，减小热透镜效应，获得高光束质量的激光，采用第一谐振腔和第二谐振腔级联的结构，可以实现1.6和2.7-3μm波段的双波长激光的输出，且在1.6μm附近波长激光输出的同时，也抽空了2.7-3μm波段激光下能级4I13/2的粒子数，减小了中红外激光的下能级寿命。
本发明采用级联激光后，采用第一个介质镜使2.7-3微米激光全反射，因此可以在第一谐振腔之间进行振荡放大。第一个介质镜又让1.6微米激光80％的透射到第二个谐振腔中，1.6微米可以在第二个谐振腔内振荡，对于1.6微米来说，第二个谐振腔是一个低阈值的谐振腔。这样第一波段激光和第二波段激光分别在第一和第二谐振腔内单独振荡。这样介质镜镀膜较容易，也可以使单晶光纤中掺激活离子浓度很低。
低的掺杂浓度有利于提高晶体光学质量，减少光学损耗，也有利于保持晶体的热导率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要的附图作简单介绍。显而易见，下面描述的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这个附图获得其他附图。
图1为本发明提供的一种单晶光纤激光器的结构图。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种单晶光纤激光器，以克服掺铒或钬晶体中红外激光下能级寿命较长和激光元件热透镜效应严重的技术缺陷，实现中红外高效、高重频及高光束质量激光，满足空间强辐射环境、生物医学、科学研究及国防安全的应用需求。
为使本发明上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种单晶光纤激光器，所述激光器包括泵浦源1、第一谐振腔、第二谐振腔和单晶光纤4。
所述单晶光纤4设置于所述第一谐振腔内。
所述第一谐振腔和所述第二谐振腔级联设置。
所述泵浦源1用于发出泵浦光，并将所述泵浦光传输给所述单晶光纤。
所述单晶光纤用于在所述第一谐振腔内将所述泵浦光转换成总波段激光，所述总波段激光包括第一波段激光和第二波段激光。
所述第一谐振腔用于对所述总波段激光中的第一波段激光进行振荡，并将所述总波段激光中的第二波段激光传输给所述第二谐振腔；所述第一谐振腔为二色镜3和第一介质镜5组成的腔体；所述单晶光纤4设置于所述二色镜3和所述第一介质镜5之间；所述二色镜3用于将所述泵浦源1发射的所述泵浦光反射进入所述单晶光纤4；所述单晶光纤4用于对所述泵浦光进行转换，获得所述总波段激光；所述总波段激光包括第一波段激光和第二波段激光；所述第一介质镜5用于对所述总波段激光中的第一波段激光进行反射，并结合所述二色镜3使所述第一波段激光在所述二色镜3和所述第一介质镜5之间进行振荡，形成低阈值的第一波段激光谐振荡。
所述第二谐振腔用于对所述第二波段激光进行振荡。所述第二谐振腔为第一介质镜5和第二介质镜7组成的腔体；所述第一介质镜5用于对所述总波段激光中的第二波段激光进行透射，获得透射的第二波段激光；所述第二介质镜7用于对所述透射的第二波段激光进行反射，并结合所述第一介质镜5使所述透射的第二波段激光在所述第一介质镜5和所述第二介质镜7之间振荡，形成低阈值的第二波段激光谐振荡。
所述激光器还包括第一聚焦透镜2，所述第一聚焦透镜2设置于所述泵浦源1和所述第一谐振腔之间；所述第一聚焦透镜2用于对所述泵浦源产生的泵浦光进行聚光，获得聚光后的泵浦光，并将所述聚光后的泵浦光传输给所述第一谐振腔。
所述激光器还包括第二聚焦透镜6，所述第二聚焦透镜6设置于所述第一介质镜5和第二介质镜7之间，所述第二聚焦透镜6用于对所述透射激光进行聚焦，获得聚焦后的透射激光，并将所述聚焦后的透射激光传输给所述第二介质镜7。
所述激光器还包括激光能量计8，所述激光能量计8用于计量由二色镜透射出的第一波段激光和第二波段激光。
所述单晶光纤为中红外抗辐射Er,Ho(Re):GYSGG系列单晶光纤，分子式为Erx,Rey:Gd3-3x-3y-3zY3zSc2Ga3O12或Hox,Rey:Gd3-3x-3y-3zY3zSc2Ga3O12，其中，x为Er或Ho的掺杂度，y表示Re的掺杂度，z表示Gd的掺杂度，Er和Ho是稀土离子Er3+或Ho3+的简写，起到激活离子的作用，Er3+或Ho3+的掺杂浓度范围为0.1-10at％，即0.001<x<0.1，其中Re是指，与Er或Ho的中红外激光下能级相接近的稀土能级耦合离子，如Pr3+、Tm3+、Eu3+等稀土能级耦合离子，掺杂浓度范围为0.01-0.5at％，即0.0001<y<0.005，可加速下能级粒子的抽空速率，降低寿命。所述GYSGG是钆钇钪镓石榴石Gd3-3x-3y-3zY3zSc2Ga3O12的简写，其中0<z<1，其具有优良的抗辐射特性，作为基质晶体，可以为激活离子Er或Ho提供一个晶格场。
所述Er,Ho(Re):GYSGG系列单晶光纤是以具有抗辐射性能的GYSGG为基质，可以在空间等强辐射环境下应用。Er,Ho(Re):GYSGG系列单晶光纤中Er和Ho是稀土离子Er3+或Ho3+的简写，起到激活离子的作用，其中Re是指Pr3+、Tm3+、Eu3+等能级耦合离子，可以起到退激活作用，降低2.7-3μm激光下能级寿命。所述Er,Ho(Re):GYSGG系列单晶光纤，具有良好的散热性能，有利于减小热透镜效应，获得高光束质量的激光，并适合790、970或1150nm附近波长半导体激光器泵浦。
具体的，Er,Pr:GYSGG单晶光纤是指Er3+的浓度在0.1-10at％之间,Pr3+的浓度在0.01-0.5at％，直径在20-800μm之间，长度在10-500mm之间的激光工作物质。
具体的，Ho,Pr:GYSGG单晶光纤是指Ho3+的浓度在0.1-10at％之间,Pr3+的浓度在0.01-0.5at％，直径在20-800μm之间，长度在10-500mm之间的激光工作物质。
所述激光器为同时含有两个谐振腔结构(第一谐振腔和第二谐振腔)，可以实现1.6和2.7-3μm波段的双波长级联激光输出，不仅能改善4I13/2能级寿命长对2.7-3μm波段激光输出的不利影响，而且可以大大降低Er3+或Ho3+的掺杂浓度，提高2.7-3μm波段激光效率、重复频率等激光性能。其较低的掺杂浓度有利于提高单晶光纤的光学质量和保持较高的热导率。
所述的Er,Ho(Re):GYSGG系列单晶光纤，可以采用激光加热基座或微下拉等方法制备。
具体的，所述第一波段激光包括2.7-3um波段激光。所述第二波段激光包括1.6um附近波段激光。
实施例1，采用本发明提供的激光器实现高性能2.7-3μm波段激光输出：
具体采用790nm LD(泵浦源)；掺Er3+浓度为5at％,Pr3+浓度为0.05at％的Er,Pr:GYSGG单晶光纤，即采用Er3+的掺杂度为5at％，Pr3+的掺杂度为0.05at％，直径500μm，长度100mm的Er,Pr:GYSGG单晶光纤。
本发明提供的激光器具体设置为：泵浦源1为790nm泵浦源；2是聚焦透镜；3是一个二色镜，对790nm高反(大于98％)，用于耦合泵浦光进入单晶光纤，它对1.6μm与2.7-3μm波长的激光透射率分别约为50％和90％；4是Er,Pr:GYSG单晶光纤5是第一介质镜，具体为对1.6μm与2.7-3μm波长的激光反射率分别约为20％和大于98％的介质镜；6是聚焦透镜；7是第二介质镜，具体为对1.6μm附近波长的反射率约大于98％的介质镜；8是激光能量计。
实施例2：采用本发明提供的激光器实现高性能2.7-3μm波段激光输出：
采用970nm LD(泵浦源)，泵浦掺Er3+浓度为1at％,Pr3+浓度为0.1at％的Er,Pr:GYSGG单晶光纤，即采用Er3+的掺杂度为1at％，Pr3+的掺杂度在0.1at％，直径300μm，长度200mm的Er,Pr:GYSGG单晶光纤。
本发明提供的激光器具体设置为：1泵浦源为970nm泵浦源；3是一个二色镜，对970nm高反(大于98％)，用于耦合泵浦光进入单晶光纤，它对1.6μm与2.7-3μm波长的激光透射率分别约为50％和90％；4是Er,Pr:GYSG单晶光纤其它与实施例1中的激光器的设置相同。
实施例3：采用本发明提供的激光器实现高性能2.7-3μm波段激光输出：
采用1150nm LD(泵浦源)，泵浦掺Ho3+浓度为0.5at％,Pr3+浓度为0.1at％的Ho,Pr:GYSGG单晶光纤，即采用Ho3+的掺杂度为0.5at％，Pr3+的掺杂度在0.1at％，直径400μm，长度150mm的Ho,Pr:GYSGG单晶光纤。
本发明提供的激光器具体设置为：1泵浦源为1150nm泵浦源；3是一个二色镜，对1150nm高反(大于98％)，用于耦合泵浦光进入单晶光纤，它对1.6μm与2.7-3μm波长的激光透射率分别约为50％和90％；4是Ho,Pr:GYSGG单晶光纤其它与实施例1中的激光器的设置相同。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种单晶光纤激光器，所述激光器包括泵浦源、第一谐振腔、第二谐振腔和单晶光纤；所述单晶光纤设置于所述第一谐振腔内；所述第一谐振腔和所述第二谐振腔级联设置；利用单晶光纤结合了棒状晶体和光纤增益的双重优点，减小热透镜效应，获得高光束质量的激光，采用第一谐振腔和第二谐振腔级联的结构，可以实现1.6和2.7-3μm波段的双波长激光的输出，且在1.6μm附近波长激光输出的同时，也抽空了2.7-3μm波段激光下能级4I13/2的粒子数，减小了中红外激光下能级寿命。同时降低了2.7-3μm激光阈值、提高了效率。因此，本发明提出的激光器可以获得在2.7-3μm波段高效、高重频和高光束质量的中红外激光，在通讯、生物医疗、科学研究及军事等领域有着重要的应用，特别适合作为激光放大器中的种子光源。
即，本发明提供的激光器具有如下优点：
(1)由于Er3+或Ho3+激光下能级4I13/2或5I7的寿命通常高于激光上能级4I11/2或5I6，是寿命更长的亚稳态。受激发射过程中，跃迁下来的粒子积累在下能级上，不利于激光发射过程中保持足够的粒子数反转。虽然，通过掺入某些能级耦合离子的退激活方法可以使Er或Ho离子的下能级寿命得到较大的减小，但同时上能级寿命也有一定程度的下降，导致掺入的退激活离子浓度不能很高，仅约0.15at％左右。因此单靠能级耦合方法对于改善激光性能的作用受到限制。本发明提出的级联激光器是指在运用退激活方法的基础上再结合级联结构，即同时构建两个谐振腔结构，可以实现1.6和2.7-3μm波段双波长级联激光输出，在1.6μm附近波长激光输出的同时，也抽空了2.7-3μm波段激光下能级的寿命，因而又可以降低2.7-3μm波长激光阈值、提高效率，并且Er3+或Ho3+的掺杂浓度又可以大大降低，低的掺杂浓度有利于提高单晶光纤的光学质量和保持较高的热导率。
(2)Er,Ho(Re):GYSGG单晶光纤能够结合棒状晶体和光纤增益的双重优点，有利于减小热透镜效应，获得高光束质量的激光。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用具体个例对技术原理、实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是为了帮助理解本发明技术方法及核心思想，描述的实施例仅仅是本发明的个例，不是全部实施例。基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种单晶光纤激光器，其特征在于，所述激光器包括泵浦源、第一谐振腔、第二谐振腔和单晶光纤；
所述单晶光纤设置于所述第一谐振腔内；
所述第一谐振腔和所述第二谐振腔级联设置；
所述泵浦源用于发射泵浦光，并将所述泵浦光传输给所述单晶光纤；
所述单晶光纤用于在所述第一谐振腔内将所述泵浦光转换成总波段激光，所述总波段激光包括第一波段激光和第二波段激光；
所述第一谐振腔用于对所述总波段激光中的第一波段激光进行振荡，并将所述总波段激光中的第二波段激光传输给所述第二谐振腔；
所述第二谐振腔用于对所述第二波段激光进行振荡。
2.根据权利要求1所述的一种单晶光纤激光器，其特征在于，所述第一谐振腔为二色镜和第一介质镜组成的腔体；所述单晶光纤设置于所述二色镜和所述第一介质镜之间；
所述二色镜用于将所述泵浦源发射的所述泵浦光反射进入所述单晶光纤；
所述单晶光纤用于对所述泵浦光进行转换，获得所述总波段激光；所述总波段激光包括第一波段激光和第二波段激光；
所述第一介质镜用于对所述总波段激光中的第一波段激光进行反射，并结合所述二色镜使所述第一波段激光在所述二色镜和所述第一介质镜之间进行振荡，形成低阈值的第一波段激光谐振荡。
3.根据权利要求1所述的一种单晶光纤激光器，其特征在于，所述第二谐振腔为第一介质镜和第二介质镜组成的腔体；
所述第一介质镜用于对所述总波段激光中的第二波段激光进行透射，获得透射的第二波段激光；
所述第二介质镜用于对所述透射的第二波段激光进行反射，并结合所述第一介质镜使所述透射的第二波段激光在所述第一介质镜和所述第二介质镜之间振荡，形成低阈值的第二波段激光谐振荡。
4.根据权利要求1所述的一种单晶光纤激光器，其特征在于，所述激光器还包括第一聚焦透镜，所述第一聚焦透镜设置于所述泵浦源和所述第一谐振腔之间；所述第一聚焦透镜用于对所述泵浦源产生的泵浦光进行聚光，获得聚光后的泵浦光，并将所述聚光后的泵浦光传输给所述第一谐振腔。
5.根据权利要求1所述的一种单晶光纤激光器，其特征在于，所述激光器还包括激光能量计，所述激光能量计用于计量由二色镜透射出的第一波段激光和第二波段激光。
6.根据权利要求3所述的一种单晶光纤激光器，其特征在于，所述激光器还包括第二聚焦透镜，所述第二聚焦透镜设置于所述第一介质镜和第二介质镜之间，所述第二聚焦透镜用于对所述透射激光进行聚焦，获得聚焦后的透射激光，并将所述聚焦后的透射激光传输给所述第二介质镜。
7.根据权利要求1所述的一种单晶光纤激光器，其特征在于，所述单晶光纤为中红外抗辐射Er,Ho(Re):GYSGG系列单晶光纤，分子式为Erx,Rey:Gd3-3x-3y-3zY3zSc2Ga3O12或Hox,Rey:Gd3-3x-3y-3zY3zSc2Ga3O12，其中，x为Er或Ho的掺杂度，y表示Re的掺杂度，z表示Gd的掺杂度。
8.根据权利要求7所述的一种单晶光纤激光器，其特征在于，所述Er或Ho的掺杂度为：0.1-10at％，Re的掺杂度为0.01-0.5at％。
9.根据权利要求7所述的一种单晶光纤激光器，其特征在于，所述第一波段激光包括2.7-3um波段激光。
10.根据权利要求7所述的一种单晶光纤激光器，其特征在于，所述第二波段激光包括1.6um波段激光。
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