CN109149351B

CN109149351B - 调q激光器

Info

Publication number: CN109149351B
Application number: CN201811201996.7A
Authority: CN
Inventors: 游振宇; 涂朝阳; 王燕; 朱昭捷; 李坚富
Original assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Current assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Priority date: 2018-10-16
Filing date: 2018-10-16
Publication date: 2020-02-21
Anticipated expiration: 2038-10-16
Also published as: CN109149351A

Abstract

本申请公开了一种调Q激光器，包括第一泵浦源、第二泵浦源、谐振腔以及用于充当增益介质的第一Er晶体和用于充当调Q介质的第二Er晶体；第一Er晶体与第二Er晶体沿第一方向间隔设置在谐振腔内；第一泵浦源位于谐振腔外，用于对第一Er晶体进行泵浦；第二泵浦源位于谐振腔外，用于对第二Er晶体进行泵浦；其中，第一方向为第一Er晶体产生的激光在输出过程中的传播方向。本申请提供的调Q激光器可以产生2.7～3.0μm中红外波段的短脉冲高功率的铒激光，并且该铒激光的脉冲宽度和重复频率稳定、可控，且该激光器具有较长使用寿命。

Description

调Q激光器

技术领域

本申请涉及一种调Q激光器，属于光学仪器技术领域。

背景技术

Er³⁺离子激活的2.7-3.0μm波长的中红外激光位于水分子的特征吸收波段，这个特点使得其在激光医疗、激光美容等方面均有着诱人的应用前景。

目前市场上的铒激光器均属于连续或长脉冲激光运转，这种激光器会在作用于人体组织后在体内产生了大量的热堆积，进而导致高温热损伤。而短脉冲激光有足够的间隔时间给生物机体排除热量，减少由于热损伤造成的伤害。现阶段，通过调Q技术可以实现激光的短脉冲发射。

Er激光的调Q技术主要分为主动调Q与被动调Q两种方式，主动调Q方式主要是采用机械、电光与声光Q开关，机械Q开关受制于发射多脉冲趋向的影响，噪声很大，其轴承的寿命短，经常需要维护。电光调Q由于需要高的电压驱动，容易导致强的电磁噪声与脉冲不稳定，同时工作于该波段的电光晶体也较难获得。而该波段声光调Q的调制深度过低，导致了其脉冲输出仅占其总输出的20％以内。这些因素限制了这类调Q技术在2.7-3.0μm波段的应用。而被动调Q方式在运转过程中，脉冲宽度与重复频率均随输出功率变化而改变，无法通过控制端获得可控的脉冲激光输出，在各种应用中均受到极大的限制。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种调Q激光器，该激光器可以产生2.7～3.0μm中红外波段的短脉冲高功率的铒激光，并且该铒激光的脉冲宽度和重复频率稳定、可控，而且该激光器具有较长使用寿命的，不需要经常维护。

一种调Q激光器，包括第一泵浦源、第二泵浦源、谐振腔以及用于充当增益介质的第一Er晶体和用于充当调Q介质的第二Er晶体；

所述第一Er晶体与第二Er晶体沿第一方向间隔设置在所述谐振腔内；

所述第一泵浦源位于所述谐振腔外，用于对所述第一Er晶体进行泵浦；

所述第二泵浦源位于所述谐振腔外，用于对所述第二Er晶体进行泵浦；

其中，所述第一方向为所述第一Er晶体产生的激光在输出过程中的传播方向。

可选的，所述第一Er晶体产生的激光在输出过程中的传播方向为直线，所述谐振腔包括第一输入镜和第一输出镜，所述第一输入镜和第一输出镜沿该直线方向分别设置在所述第一Er晶体和第二Er晶体的外端。

可选的，所述第一输入镜和第一输出镜包括平面镜、平凹镜和平凸镜中的任意一种。

可选的，所述第一Er晶体产生的激光在输出过程中的传播方向为折线。

可选的，所述第一Er晶体产生的激光在输出过程中沿夹角为90°的折线传播。

可选的，所述谐振腔包括第二输入镜、第二输出镜以及平凹折叠镜，所述第二输入镜和第二输出镜沿该折线方向分别设置在所述第一Er晶体和第二Er晶体的外端，所述平凹折叠镜位于所述第一Er晶体和第二Er晶体之间以使第一Er晶体产生的激光的传播方向发生偏折。

可选的，所述第二输入镜和第二输出镜包括平面镜、平凹镜和平凸镜中的任意一种。

可选的，所述调Q激光器还包括第一光束耦合系统，所述第一光束耦合系统位于所述第一泵浦源与所述第一Er晶体之间以使所述第一泵浦源产生的激光在进入第一Er晶体之前产生汇聚效果。

可选的，所述调Q激光器还包括第二光束耦合系统，所述第二光束耦合系统位于所述第二泵浦源与所述第二Er晶体之间以使所述第二泵浦源产生的激光在进入第二Er晶体之前产生汇聚或者平行效果。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请所提供的调Q激光器，实现了短脉冲高功率的2.7～3.0μm中红外波段Er激光稳定输出。

2)本申请所提供的调Q激光器，通过利用第二Er晶体调节谐振腔内的Q值，从而实现了对2.7～3.0μm中红外波段Er激光的脉冲宽度和重复频率的控制。

3)本申请所提供的调Q激光器，结构简单，便于各元件的相互配合，具有较长的使用寿命，不需要经常维护。

4)本申请所提供的调Q激光器，调Q元件为第二Er晶体，该Er晶体容易制备，可以大范围的应用，并且也低了生产成本。

附图说明

图1为Er离子的能级结构示意图；

图2为本申请中实施例2所提供的调Q激光器的结构示意图；

图3为本申请中实施例3所提供的调Q激光器的结构示意图；

图4为本申请中实施例4所提供的调Q激光器的结构示意图；

图5为本申请中实施例5所提供的调Q激光器的结构示意图。

部件和附图标记列表：

101第一泵浦源； 102第二泵浦源； 200谐振腔；

201第一输入镜； 202第一输出镜； 203第二输入镜；

204第二输出镜； 205平凹折叠镜； 301第一Er晶体；

302第二Er晶体； 401第一光束耦合系统；

402第二光束耦合系统。

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。

实施例1

本实施例提供的调Q激光器，包括第一泵浦源101、第二泵浦源102、谐振腔200以及用于充当增益介质的第一Er晶体301和用于充当调Q介质的第二Er晶体302；第一Er晶体301与第二Er晶体302沿第一方向间隔设置在谐振腔200内；第一泵浦源101位于谐振腔200外，用于对第一Er晶体301进行泵浦；第二泵浦源102位于谐振腔200外，用于对第二Er晶体302进行泵浦；其中，第一方向为第一Er晶体301产生的激光在输出过程中的传播方向。

具体的，Er³⁺能级为简单的准三能级结构，如图1所示，能级⁴I_15/2、能级⁴I_13/2，能级⁴I_11/2，分别记作基态能级、第一能级、第二能级。Er³⁺由第二能级跃迁到第一能级时，辐射出2.7～3.0μm的激光，由第一能级跃迁至基态能级时，辐射出～1.55μm的激光。

在本申请中，通过第一泵浦源101发出的激光使第一Er晶体301中大量的粒子由基态能级跃迁至第二能级实现粒子数反转，再由第二能级跃迁回第一能级产生2.7～3.0μm的中红外激光，并且在谐振腔200内插入第二Er晶体302作为调Q元件，采用第二泵浦源102发出的～1.55μm的激光作为光开关对其进行泵浦。具体来说，当抑制2.7～3.0μm激光输出时，开启第二泵浦源102对第二Er晶体302进行泵浦，使其中大量的粒子数跃迁至第一能级，从而对谐振腔200内的2.7～3.0μm激光产生自吸收，在谐振腔200内产生大量的损耗从而抑制了2.7～3.0μm激光输出；当需要2.7～3.0μm激光输出时，关闭第二泵浦源102，第二Er晶体302则不会对2.7～3.0μm激光产生吸收，此时便有2.7～3.0μm激光输出，即通过合理的控制实现了短脉冲的2.7～3.0μm激光输出。同时由于调Q元件中大量的粒子数通过自吸收也跃迁至第二能级，因此在～1.55μm激光关断的时候，其同时也能产生2.7～3.0μm的激光输出，协同腔内的激光晶体产生高峰值功率的输出，这使得该调Q元件在～1.55μm第二泵浦源102打开时作为谐振腔200高损元件，而在关断时产生2.7～3.0μm辐射输出，具备了双重作用。

在本申请通过两个Er晶体，一块作为激光增益介质，一块作为调Q元件，通过～1.55μm激光作为光开关调控调Q元件的第一能级粒子数，从而调控腔内对2.7-3.0μm激光的损耗，最终实现短脉冲高功率的调Q激光输出。并且通过对～1.55μm激光的合理控制，即可实现对2.7-3.0μm输出激光的脉冲宽度和重复频率的稳定控制。

本申请中，第一Er晶体301与第二Er晶体302为Er掺杂的晶体，其中，Er晶体的掺杂浓度可以根据需要调整。优选的，Er掺杂的晶体优选Er:YSGG晶体。

本申请中，晶体元件第一Er晶体301与第二Er晶体302采用通冷却水的铜块或者用TEC来制冷。

第一Er晶体301与第二Er晶体302的通光面需要抛光，可以采用镀膜或不镀膜，按本领域常规技术加工即可。

可选的，第一泵浦源101包括半导体激光器、光纤激光器、氙灯中的任意一种，用于将Er离子基态的粒子数泵浦跃迁至第二能级(能级⁴I_11/2)，其输出波长可以为～967nm，或者也可以为～795nm，或者还可以为其他合适的波长。

可选的，第二泵浦源102包括脉冲输出的半导体激光器、光纤激光器、全固态激光器中的任意一种，其脉冲宽度和重复频率可以独立调节，采用调Q模式或者斩波模式均可，用于将Er离子基态的粒子数泵浦跃迁至第一能级(能级⁴I_13/2)，其输出波长为1500～1600nm波段。

实施例2

图2为本实施例所提供的调Q激光器的结构示意图，下面结合图2具体说明本实施例的实现方式。

如图2所示，第一Er晶体301产生的激光在输出过程中的传播方向为直线，谐振腔200包括第一输入镜201和第一输出镜202，第一输入镜201和第一输出镜202沿该直线方向分别设置在第一Er晶体301和第二Er晶体302的外端。

具体的，在本实施例中，第一输入镜201、第一Er晶体301、第二Er晶体302和第一输出镜202依次排列在一条直线上，即第一方向为该直线方向。

下面具体说明本实施例提供的调Q激光器中的光路过程：

如图2所示，第一泵浦源101产生的激发激光沿该直线方向穿过第一输入镜201射入第一Er晶体301中，第一Er晶体301受激发而产生的激光沿该直线方向进入第二Er晶体302中，通过第二Er晶体302的调制再继续沿该直线方向穿过第一输出镜202射出。第二泵浦源102产生的激光沿着与该直线方向相垂直的方向射入第二Er晶体302中，也就是说第二泵浦源102产生的激光射入第二Er晶体302中的方向与第一Er晶体301产生的激光射入第二Er晶体302中的方向相互垂直，从而控制第二Er晶体302中的第一能级粒子数实现了对谐振腔200内损耗的调控。当然，第一Er晶体301产生的2.7～3.0μm激光在谐振腔200内会产生谐振现象，以提高激光质量，本实施例中所述的光路过程是从整体上来说明激光的传播方向。

可选的，第一Er晶体301和第二Er晶体302为长方体状，二者沿其长度方向依次间隔排列在谐振腔200内，第一泵浦源101产生的激光沿第一Er晶体301的端壁射入，第二泵浦源102产生的激光沿第二Er晶体302的周壁射入。

可选的，第一输入镜201和第一输出镜202包括平面镜、平凹镜和平凸镜中的任意一种。其中，第一输出镜202的透过率可以为3％。或者也可以为5％，当然还可以为其他合适值，本申请中对第一输出镜202的透过率不做具体限定，只要能够产生激光即可。

实施例3

图3为本实施例提供的调Q激光器的结构示意图，下面结合图3具体说明本实施例的实现方式。

本实施例中，第一Er晶体301产生的激光在输出过程中的传播方向为折线。例如，传播方向可以为夹角60°的折线，或者也可以为夹角90°的折线。下面以90°的折线传播方向为例具体说明。

如图3所示，谐振腔200包括第二输入镜203、第二输出镜204以及平凹折叠镜205，第二输入镜203和第二输出镜204沿该折线方向分别设置在第一Er晶体301和第二Er晶体302的外端，平凹折叠镜205位于第一Er晶体301和第二Er晶体302之间以使第一Er晶体301产生的激光的传播方向发生偏折。

具体的，在本实施例中，90°的折线传播方向包括相互垂直的第一折线传播方向和第二折线传播方向，第二输入镜203和第一Er晶体301位于第一折线传播方向上，第二Er晶体302和第二输出镜204位于第二折线传播方向上，平凹折叠镜205位于图3所示的第一Er晶体301和第二Er晶体302之间以使从第一Er晶体301射出的激光产生90°转向进入第二Er晶体302中。

下面说明本实施例提供的调Q激光器中的光路过程：

第一泵浦源101产生的激光沿第一折线传播方向穿过第二输入镜203射入第一Er晶体301中，第一Er晶体301产生的激发光沿第一折线传播方向射到平凹折叠镜205上，经90°转向沿第二折线传播方向射入第二Er晶体302中，通过第二Er晶体302的调制再继续沿第二折线传播方向穿过第二输出镜204射出。第二泵浦源102产生的激光沿第二折线传播方向射入第二Er晶体302中，也就是说第二泵浦源102产生的激光射入第二Er晶体302中的方向与第一Er晶体301产生的激光射入第二Er晶体302中的方向相互平行，从而控制第二Er晶体302中的第一能级粒子数实现了对谐振腔200内损耗的调控。当然，第一Er晶体301产生的2.7～3.0μm激光在谐振腔200内会产生谐振现象，以提高激光质量，本实施例中所述的光路过程是从整体上来说明激光的传播方向。

可选的，第一Er晶体301和第二Er晶体302为长方体状，二者沿其长度方向依次分别排列第一折线传播方向、第二折线传播方向上。第一泵浦源101产生的激光沿第一Er晶体301的端壁射入，第二泵浦源102产生的激光沿第二Er晶体302的端壁射入。

可选的，第二输入镜203和第二输出镜204包括平面镜、平凹镜和平凸镜中的任意一种。其中，第二输出镜204的透过率可以为3％。或者也可以为5％，当然还可以为其他合适值，本申请中对第二输出镜204的透过率不做具体限定，只要能够产生激光即可。

可选的，调Q激光器还包括第一光束耦合系统401，第一光束耦合系统401位于第一泵浦源101与第一Er晶体301之间以使第一泵浦源101产生的激光在进入第一Er晶体301之前产生汇聚效果。

具体的，第一光束耦合系统401可以为图4所示的2个凸透镜，从而产生汇聚光束的效果。

可选的，调Q激光器还包括第二光束耦合系统402，第二光束耦合系统402位于第二泵浦源102与第二Er晶体302之间以使第二泵浦源102产生的激光在进入第二Er晶体302之前产生汇聚或者平行效果。

具体的，第二光束耦合系统402可以为至少一个凸透镜。例如，图4所示当凸透镜为1个时使光束产生平行效果。又例如，图5所示当凸透镜为2个时使光束产生汇聚效果。

实施例4

图4为本实施例所提供的调Q激光器的结构示意图，下面结合图4具体说明本实施例的实现方式。

如图4所示，第一泵浦源101为967nm光纤耦合半导体激光器，第二泵浦源102为1550nm光纤激光器。

第一Er晶体301和第二Er晶体302为Er³⁺:YSGG晶体，Er³⁺离子的掺杂浓度为30-50％，晶体的尺寸为3×3×5mm³，其中通光方向长度为5mm，两个晶体均通光面上抛光并在通光端面镀上2.7～3.0μm的增透膜，第二Er晶体302在1550nm光束注入的侧面也进行抛光，并镀上1.55μm的增透膜。

在967nm光纤耦合半导体激光器中，耦合光纤的直径为200μm，数值孔径为0.22，连续输出。

在1550nm光纤耦激光器中，光纤直径为200μm，可实现脉冲宽度与重复频率的连续可调。1550nm光纤激光器通过第二光束耦合系统402将泵浦光均匀的从第二Er晶体302的侧面射入。

第一光束耦合系统401和第二光束耦合系统402均为1：1模式。

第一输入镜201为曲率为200mm的平凹镜，在镜片上镀以对泵浦光(967nm)透过率大于95％，对2.7～3.0μm波段反射率大于99.99％的介质膜。第一输出镜202为曲率为200mm的平凹镜，在镜片上镀以对2.7～3.0μm波段透过率为3％的介质膜。

实施例5

图5为本实施例所提供的调Q激光器的结构示意图，下面结合图5具体说明本实施例的实现方式。

如图5所示，第一泵浦源101为967nm光纤耦合半导体激光器，第二泵浦源102为1550nm光纤激光器。

第一Er晶体301和第二Er晶体302为Er³⁺:YSGG晶体，Er³⁺离子的掺杂浓度为30-50％，晶体的尺寸为3×3×5mm³，其中通光方向长度为5mm，两个晶体均通光面上抛光，第一Er晶体301在通光端面镀上2.7～3.0μm的增透膜，第二Er晶体302在通光端面镀上2.7～3.0μm和1.55μm的增透膜。

在1550nm光纤激光器中，光纤直径为200μm，可实现脉冲宽度与重复频率的连续可调。

第一光束耦合系统401和第二光束耦合系统402均为1：1模式。

第二输入镜203为平面镜，在镜片上镀以对泵浦光(967nm)透过率大于95％，对2.7～3.0μm波段反射率大于99.99％的介质膜。平凹折叠镜205为曲率半径为200mm的平凹镜片，凹面朝向第一Er晶体301和第二Er晶体302，在镜片上镀以对泵浦光(1550nm)透过率大于95％，对2.7～3.0μm波段反射率大于99.99％的介质膜。第二输出镜204为平面镜，在镜片上镀以对2.7～3.0μm波段透过率为3％的介质膜。

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

1.一种调Q激光器，其特征在于，包括第一泵浦源、第二泵浦源、谐振腔以及用于充当增益介质的第一Er晶体和用于充当调Q介质的第二Er晶体；

所述第二泵浦源位于所述谐振腔外，所述第二泵浦源发出的～1.55μm的激光作为光开关对所述第二Er晶体进行泵浦，以实现短脉冲2.7～3.0μm激光输出；

2.根据权利要求1所述的调Q激光器，其特征在于，所述第一Er晶体产生的激光在输出过程中的传播方向为直线，所述谐振腔包括第一输入镜和第一输出镜，所述第一输入镜和第一输出镜沿该直线方向分别设置在所述第一Er晶体和第二Er晶体的外端。

3.根据权利要求2所述的调Q激光器，其特征在于，所述第一输入镜和第一输出镜包括平面镜、平凹镜和平凸镜中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的调Q激光器，其特征在于，所述第一Er晶体产生的激光在输出过程中的传播方向为折线。

5.根据权利要求4所述的调Q激光器，其特征在于，所述第一Er晶体产生的激光在输出过程中沿夹角为90°的折线传播。

6.根据权利要求5所述的调Q激光器，其特征在于，所述谐振腔包括第二输入镜、第二输出镜以及平凹折叠镜，所述第二输入镜和第二输出镜沿所述折线的方向分别设置在所述第一Er晶体和第二Er晶体的外端，所述平凹折叠镜位于所述第一Er晶体和第二Er晶体之间以使第一Er晶体产生的激光的传播方向发生偏折。

7.根据权利要求6所述的调Q激光器，其特征在于，所述第二输入镜和第二输出镜包括平面镜、平凹镜和平凸镜中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的调Q激光器，其特征在于，所述调Q激光器还包括第一光束耦合系统，所述第一光束耦合系统位于所述第一泵浦源与所述第一Er晶体之间以使所述第一泵浦源产生的激光在进入第一Er晶体之前产生汇聚效果。

9.根据权利要求1所述的调Q激光器，其特征在于，所述调Q激光器还包括第二光束耦合系统，所述第二光束耦合系统位于所述第二泵浦源与所述第二Er晶体之间以使所述第二泵浦源产生的激光在进入第二Er晶体之前产生汇聚或者平行效果。