CN108418090A - 一种中红外激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型的产生3‑3.7微米波段激光的中红外激光器，包括抽运光源、耦合光学系统、激光谐振腔、抽运激光晶体和非线性光学晶体，抽运光源发射激光经耦合光学系统到达抽运激光晶体产生荧光，在由全反镜和输出腔镜组成的激光谐振腔内，形成2.4‑2.7微米波段的振荡激光，通过非线性光学晶体拉曼产生3‑3.7微米波段的激光，上述3‑3.7微米波段的激光在复合腔镜和输出腔镜组成的拉曼振荡腔内振荡加强，最终输出3‑3.7微米波段的激光。通过在腔内插入波长调谐元件(例如标准具、双折射滤光片、光栅等)实现3‑3.7微米波长范围内的可调谐激光，本发明具有结构简单紧凑、可在常温下使用且功率高的优点。

Description

一种中红外激光器
技术领域
本发明涉及光电领域，特别是涉及一种产生3-3.7微米波段激光的中红外激光器。
背景技术
3-3.7微米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、气体环境监测等领域具有十分重要的应用。例如，许多气体的特征吸收峰位于3-3.7微米波段，该波段常被称为气体的“分子指纹区”，因此该波段激光可用于气体定性与定量的检测。一些常见的大气污染物，如CH4、H2CO、NO2、N2O的特征吸收峰分别都在3.3-3.7微米范围内。并且，除去以上大气中气体的特征吸收波段，该波段的其余激光处于大气窗口的高透过区，对大气的穿透性强，传输过程损耗小，在激光制导、遥感测控、光电对抗等军事领域有着重要的应用。
目前，国内外实现3-4微米波段激光的主要技术途径有以下几类:
(1)中红外光参量振荡激光器(OPO)：该类型激光器是现阶段产生中红外激光最常用的技术方案，已实现了2-5微米的可调谐激光输出，具有波长调谐范围大，激光输出功率高的优点。然而，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，因此很难在卫星、飞机这类航天器上应用。
(2)中红外晶体激光器：该类型激光器采用稀土与过渡族离子作为激活离子直接产生3微米以上的激光。由于存在强烈的多声子淬灭效应，通常要求激光晶体具有较低的声子能量，以避免过高的无辐射跃迁几率导致激光上能级寿命过低。因此，这类激光器通常采用声子能量较低的非氧化基质晶体(卤化物、硫化物、硒化物等)作为激光增益介质。为获得激光运转，还需要控制晶体处在远低于室温的环境温度下工作，这极大地增加了激光系统的复杂性与稳定性。
(3)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。另外，硫化物与氟化物的机械性能差、光纤加工难，且当前中红外波段光栅稀缺，这些不利因素都一定程度上限制了中红外光纤激光器的发展。
(4)中红外带间级联激光器：这种技术可以实现3-3.8微米的激光输出，但其输出功率较低、激光线宽大，在许多应用上受到限制。以美国Thorlabs公司生产的法布里珀罗带间级联激光器为例，其最大输出功率为20-30毫瓦，线宽约为几十纳米。
(5)中红外异质结半导体激光器：这类激光器主要采用半导体作为激光介质，其输出光束质量差、制备工艺难度大，通常需要在极低的温度下运转。目前，该类型的激光器在室温下无法实现波长大于3微米的激光。
综上可知，目前现有技术中缺少一种结构简单，可在常温下使用，且输出功率较高的中红外激光器。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结构简单，可在常温下使用，且输出功率较高的中红外激光器。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种中红外激光器，其特征在于：包括抽运光源、耦合光学系统、波长调谐元件、激光谐振腔和晶体组，所述波长调谐元件和所述晶体组均设置于所述激光谐振腔内，所述耦合光学系统以将所述抽运光源聚焦至所述抽运激光晶体内部生成荧光的方式设置，所述激光谐振腔设置在荧光进入所述谐振腔内；
所述的抽运光源为用于产生1.9微米波长的脉冲激光的激光器；
所述激光谐振腔具有全反镜和输出镜，所述激光谐振腔内设置有用于调节3-3.7微米波长范围的波长的调谐器件以及用于与所述输出镜形成拉曼振荡腔的复合镜；
所述全反镜对2.4-2.7微米波段激光高反并对1.9微米波段高透；
所述输出腔对2.4-2.7微米波段激光高反，同时对3-3.7微米波段激光部分透过；
所述的复合镜对2.4-2.7微米波段激光高透，同时对3-3.7微米波段激光高反；
所述晶体组包括抽运激光晶体和非线性光学晶体，所述抽运激光晶体为Cr:ZnSe晶体或Cr:ZnS晶体，所述非线性光学晶体为具有拉曼增益的非线性光学晶体，所述非线性光学晶体为BaWO4晶体或SrWO4晶体；
所述抽运激光晶体设置于所述全反镜和所述波长调谐元件之间，所述非线性光学晶体设置在所述复合镜和所述输出镜之间。
所述的抽运光源对所述抽运激光晶体的泵浦方式为单端面泵浦或双端面泵浦。
所述波长调谐元件为F-P标准具、双折射滤光片或光栅中的任意一种。
所述的抽运光源为1.9微米脉冲Tm:YAP或1.9微米脉冲Tm:YAG激光器。
采用上述结构后，本发明一种中红外激光器具有以下有益效果：鉴于目前产生中红外手段技术上的不足，本发明专利提出了一种新型的产生3-3.7微米波段激光的中红外激光器，其结构紧凑牢固，抗干扰能力强，克服了现有技术中的中红外光参量振荡激光器(OPO)具有的结构复杂、装调精度要求极高等困难的缺点。本发明专利可在室温下实现3-3.7微米波段激光输出，克服了现有技术中的中红外晶体激光器和中红外异质结半导体激光器具有的低温冷却控制困难的缺陷。并且，本发明法采用具有拉曼增益的非线性光学晶体，可通过增加非线性光学晶体的有效长度来提高参量振荡转化效率，从而提高拉曼光的输出功率，克服了中红外带间级联激光器输出功率低的问题。
附图说明
图1为本发明的实施方式一的结构示意图；
图2为本发明的实施方式二的结构示意图；
图中：1.抽运光源、2.第一耦合镜、3.输入镜、4.激光晶体、5.复合腔镜、6.非线性光学晶体、7.输出镜、8.波长调谐元件、9.分光镜；10.第一反射镜；11.第二反射镜；12.第三反射镜；13.第二耦合镜；14.第四反射镜。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
实施方式一：如图1所示的一种中红外激光器，包括抽运光源、耦合光学系统、激光谐振腔和激光晶体；
抽运光源1为用于产生1.9微米波长的脉冲激光的激光器，具体的在本实施方式中采用的是1.9微米脉冲Tm:YAP激光器或1.9微米脉冲Tm:YAG激光器；
所述耦合光学系统具体为一块第一耦合镜2；
所述激光谐振腔具有位于其一侧的全反镜3和位于其另一侧的输出镜7，设置在所述激光谐振腔内用于与输出镜7形成拉曼振荡腔的复合镜5以及用于调节3-3.7微米波长范围波长的波长调谐元件8；
全反镜3对2.4-2.7微米波段激光高反并对1.9微米波段激光高透，即全反镜3对2.4-2.7微米波段激光具有高反射率并对1.9微米波段激光具有高透过率；输出镜7对2.4-2.7微米波段激光高反，即输出镜7对2.4-2.7微米波段激光具有高反射率，同时对3-3.7微米波段激光部分透过；复合镜5对2.4-2.7微米波段激光高透，即复合镜5对2.4-2.7微米波段激光具有高透过率，同时对3-3.7微米波段激光高反射；波长调谐元件8为F-P标准具或双折射滤光片或光栅中的任意一种。
所述激光晶体包括抽运激光晶体4和非线性光学晶体6，抽运激光晶体4具体采用的是为Cr:ZnSe晶体或Cr:ZnS晶体，非线性光学晶体6为具有拉曼增益的非线性光学晶体，所述非线性光学晶体6可选择BaWO4晶体、SrWO4晶体、CaWO4晶体或KGd(WO4)2晶体中的一种，所述非线性光学晶体6采用BaWO4晶体或SrWO4晶体时可达到较理想的效果；抽运激光晶体4采用Cr:ZnSe晶体或Cr:ZnS晶体主要的原因是Cr:ZnSe晶体或Cr:ZnS晶体所包含的Cr2+激活离子是过渡族离子，其发出射光谱受到基质晶体的影响，同时具有范围较广的波长可调谐性，适合做可调谐激光，将其出射光作为拉曼激光的基频光，能够使得输出的拉曼光也具备波长可调谐的优点；此外在本实施例中，Cr:ZnSe晶体或Cr:ZnS晶体产生的2.4-2.7微米波段激光通过BaWO4晶体或SrWO4晶体拉曼后实现的激光波长低于3.7微米，而当拉曼激光波长超过3.7微米后，BaWO4晶体或SrWO4晶体产生多声子吸收效应，激光的腔内损耗很大难以出光。
抽运光源1对所述抽运激光晶体4的泵浦方式为单端面泵浦。第一耦合镜2以将1.9微米脉冲Tm:YAP激光器1产生的脉冲激光聚焦至抽运激光晶体4内部生成荧光的方式设置，作为一个优选的方案：1.9微米脉冲Tm:YAP激光器1、第一耦合镜2、全反镜3和输出镜7水平并排设置，调谐器件8设置在全反镜3和输出镜7之间，抽运激光晶体4设置于全反镜3和波长调元件8之间，非线性光学晶体6设置在复合镜5和输出镜7之间；
当1.9微米脉冲Tm:YAP激光器1发射脉冲激光经第一耦合镜2耦合后从全反镜3的端面抽运激光至抽运激光晶体4上产生荧光，在所述激光谐振腔内形成2.4-2.7微米波段的振荡激光，再经过非线性光学晶体6拉曼振荡产生3-3.7微米波段的光，在由复合镜5和输出镜7组成的拉曼激光腔内振荡加强并从输出镜7输出3-3.7微米波段激光。
实施方式二：如图2所示的一种中红外激光器，包括1.9微米脉冲Tm:YAP激光器1、第一耦合镜2、输入镜3、抽运激光晶体4、复合腔镜5、非线性光学晶体6、输出镜7、波长调谐元件8、分光镜9、第一反射镜10、第二反射镜11、第三反射镜12、第二耦合镜13、第四反射镜14，其中第四反射镜14具有位于其一侧的反射面和位于其另一侧的通光面。
在本实施方式中1.9微米脉冲Tm:YAP激光器1对抽运激光晶体4的泵浦方式为双端面泵浦。
具体的，1.9微米脉冲Tm:YAP激光器1设置于两个耦合镜2的一侧，两个耦合镜2相对设置，分光镜9设置在上述的一对耦合镜2之间，输入镜3、抽运激光晶体4、波长调谐元件8和第二耦合镜13依次沿第一路径排列设置于一对耦合镜2的另一侧，复合镜5、非线性光学晶体6和输出镜7依次沿第二路径排列设置，所述第一路径和所述第二路径之间呈一定夹角设置，第四反射镜14设置在波长调谐元件8和第二耦合镜13之间，第四反射镜14与波长调谐元件8呈一定夹角，且第四反射镜14位于所述第一路径和所述第二路径的交汇处，输入镜3、抽运激光晶体4、波长调谐元件8、第四反射镜14、复合腔镜5、非线性光学晶体6和输出镜7组成一个非直线激光谐振腔，第一反射镜10、第二反射镜11和第三反射镜12以将从分光镜9中反射的光线反射后经第二耦合镜13入射至第四反射镜14的通光面的方式进行设置。
当1.9微米脉冲Tm:YAP激光器1发射的脉冲激光经第一耦合镜2进入分光镜9进行分光，分光后的一部分上述脉冲激光依次经过第一反射镜10、第二反射镜11和第三反射镜12反射后依次进入第二耦合镜13和第四反射镜14最后从第四反射镜14的通光面耦合进入抽运激光晶体4产生一部分荧光，分光后的另一部分上述激光经另一耦合镜2从输入镜3的通光面耦合进入抽运激光晶体4产生另一部分荧光，上述两部分荧光在激光谐振腔内形成2.4-2.7微米波段的振荡激光，再经过非线性光学晶体BaWO4拉曼振荡产生3-3.7微米波段的光，在由复合镜5和输出镜7组成的拉曼激光腔内振荡加强并从输出腔镜7输出3-3.7微米波段激光。
本发明可在室温下实现3-3.7微米波段激光输出，克服了中红外晶体激光器和中红外异质结半导体激光器具有的低温冷却控制困难的缺陷。并且，本发明法采用具有拉曼增益的非线性光学晶体6，可通过增加非线性光学晶体6的有效长度来提高参量振荡转化效率，从而提高拉曼光的输出功率，克服了中红外带间级联激光器输出功率低的问题。
上述实施例和附图并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (4)

1.一种中红外激光器，其特征在于：包括抽运光源、耦合光学系统、波长调谐元件、激光谐振腔和晶体组，所述波长调谐元件和所述晶体组均设置于所述激光谐振腔内，所述耦合光学系统以将所述抽运光源聚焦至所述抽运激光晶体内部生成荧光的方式设置，所述激光谐振腔设置在荧光进入所述谐振腔内；
所述的抽运光源为用于产生1.9微米波长的脉冲激光的激光器；
所述激光谐振腔具有全反镜和输出镜，所述激光谐振腔内设置有用于调节3-3.7微米波长范围的波长的调谐器件以及用于与所述输出镜形成拉曼振荡腔的复合镜；
所述全反镜对2.4-2.7微米波段激光高反并对1.9微米波段高透；
所述输出腔对2.4-2.7微米波段激光高反，同时对3-3.7微米波段激光部分透过；
所述的复合镜对2.4-2.7微米波段激光高透，同时对3-3.7微米波段激光高反；
所述晶体组包括抽运激光晶体和非线性光学晶体，所述抽运激光晶体为Cr:ZnSe晶体或Cr:ZnS晶体，所述非线性光学晶体为具有拉曼增益的非线性光学晶体，所述非线性光学晶体为BaWO4晶体或SrWO4晶体；
所述抽运激光晶体设置于所述全反镜和所述波长调谐元件之间，所述非线性光学晶体设置在所述复合镜和所述输出镜之间。
2.如权利要求1所述的一种中红外激光器，其特征在于：所述的抽运光源对所述抽运激光晶体的泵浦方式为单端面泵浦或双端面泵浦。
3.如权利要求1所述的一种中红外激光器，其特征在于：所述波长调谐元件为F-P标准具、双折射滤光片或光栅中的任意一种。
4.如权利要求1所述的一种中红外激光器，其特征在于：所述的抽运光源为1.9微米脉冲Tm:YAP或1.9微米脉冲Tm:YAG激光器。
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