CN109904719A - 用于激光激活介质的诱导粒子跃迁方法及装置 - Google Patents

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刘晓萌
张金涛
豆晓雷
王彦丁
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Abstract

本发明公开了用于激光激活介质的诱导粒子跃迁方法及装置，涉及激光领域。该方法包括：当通过激光激活介质产生激光时，根据激光激活介质的第一预设能级确定诱导光的波长；将该波长的诱导光射入激光激活介质，清除激光激活介质的下能级累积的粒子。本发明提供的诱导粒子跃迁方法，能够使抽运至激发态的粒子尽量多地以受激发射的方式回到基态，整个过程中将大幅减少粒子自发发射产生的热量，不仅能大幅提高光‑光效率，同时还能大幅降低晶体上的散热压力，实现了更大抽运体积、更大抽运功率和更大激光输出功率的持续激光输出。

Description

用于激光激活介质的诱导粒子跃迁方法及装置
技术领域
本发明涉及激光领域，尤其涉及用于激光激活介质的诱导粒子跃迁方法及装置。
背景技术
在通过激光激活介质产生激光的过程中，预期输出激光的下能级寿命比上能级寿命长时，在激光跃迁持续一段时间后，下能级迅速饱和，上下能级的粒子数反转状态消失，无法持续输出激光。
在这种情况下，只有激光抽运速度远大于激光输出速度，才能维持粒子数反转状态，持续输出激光，然而这种激光输出方式其光-光转换效率极低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对当激光输出过程中，因激光激活介质的下能级饱和无法持续输出激光的问题，提供了一种用于激光激活介质的诱导粒子跃迁方法及一种用于激光激活介质的诱导粒子跃迁装置。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种用于激光激活介质的诱导粒子跃迁方法，包括：
当通过激光激活介质产生激光时，根据所述激光激活介质的第一预设能级确定诱导光的波长；
将所述波长的诱导光射入所述激光激活介质，使所述第一预设能级上的粒子受激跃迁。
本发明的有益效果是：本发明提供的诱导粒子跃迁方法，通过引入特定波长的诱导光，可以使处于第一预设能级上的粒子受激跃迁至下能级，这样不仅能够迅速清空第一预设能级上的粒子，维持粒子数反转状态，持续输出激光，还能够使粒子迅速积累在指定的能级上，进而使抽运至激发态的粒子尽量多地以受激发射的方式回到基态。整个过程中将大幅减少粒子自发发射产生的热量，不仅能大幅提高光-光效率，同时还能大幅降低晶体上的散热压力，实现了更大抽运体积、更大抽运功率和更大激光输出功率的持续激光输出。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：
一种用于激光激活介质的诱导粒子跃迁装置，包括：
激光发生器，用于通过激光激活介质产生激光；
处理器，用于根据所述激光激活介质的第一预设能级确定诱导光的波长；
诱导光发生器，用于将所述波长的诱导光射入所述激光激活介质，使所述第一预设能级上的粒子受激跃迁。
本发明提供的诱导粒子跃迁装置，通过诱导光发生器将特定波长的诱导光射入激光激活介质，可以使处于第一预设能级上的粒子受激跃迁至下能级，这样不仅能够迅速清空第一预设能级上的粒子，维持粒子数反转状态，持续输出激光，还能够使粒子迅速积累在指定的能级上，进而使抽运至激发态的粒子尽量多地以受激发射的方式回到基态。整个过程中将大幅减少粒子自发发射产生的热量，不仅能大幅提高光-光效率，同时还能大幅降低晶体上的散热压力，实现了更大抽运体积、更大抽运功率和更大激光输出功率的持续激光输出。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
图1为本发明诱导粒子跃迁方法的实施例提供的流程示意图；
图2为本发明诱导粒子跃迁方法的其他实施例提供的能级结构示意图；
图3为本发明诱导粒子跃迁方法的其他实施例提供的Dy:PGS晶体能级结构示意图；
图4为本发明诱导粒子跃迁装置的实施例提供的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，为本发明诱导粒子跃迁方法的实施例提供的流程示意图，该下能级粒子清除方法用于清除激光激活介质的第一预设能级的粒子，包括：
S1，当通过激光激活介质产生激光时，根据激光激活介质的第一预设能级确定诱导光的波长；
S2，将该波长的诱导光射入激光激活介质，使所述第一预设能级上的粒子受激跃迁。
应理解，在生成激光的过程中，第一预设能级指的是粒子累计的能级，例如，对于一些激光激活介质，其下能级的寿命会大于上能级寿命，当输出激光时，下能级会积累较多的粒子，上下能级的粒子数反转状态消失，导致输出激光效率变低，此时，第一预设能级指的就是下能级，通过上述方法清除下能级累积的粒子后，就能恢复粒子数反转状态，从而持续输出激光。
例如，如图2所示，给出了一种示例性的能级结构示意图，处于基态的粒子被抽运激光λ0抽运到能级p，假设能级m的寿命大于能级n的寿命，若要生成波长为λ的激光，那么能级m上的粒子数会迅速超过能级n上的粒子数。此时，如果根据能级m确定诱导光的波长，通过该波长的诱导光使处于能级m的粒子受激跃迁到基态或寿命小于能级n的能级，相比于粒子自发跃迁，受激跃迁的效率显然更快，那么就能够迅速清除能级m的粒子，持续输出波长为λ的激光。其中，能级m就是第一预设能级。
也就是说，诱导光用于使处于第一预设能级的粒子受激跃迁，根据第一预设能级与下一能级或基态能级的能级差确定诱导光的波长。
应理解，如果输出的激光是粒子从能级p跃迁至能级n产生的，那么第一预设能级为能级n。
优选地，激光激活介质可以为中红外激光晶体Dy3+:PbGa2S4，以下简称为Dy:PGS晶体。
Dy:PGS晶体具有常温下能级寿命长，抽运光源处于近红外波段，具有易于获取的特有优势，在获取中红外大功率激光领域具有较大的发展潜力。
应理解，激光激活介质可以根据实际需求选择，即下能级寿命长于上能级寿命的激光激活介质。
例如，如图3所示，给出了示例性的Dy:PGS晶体能级结构示意图，图中以Dy:PGS晶体为例，Dy:PGS晶体在中红外波段输出中几个重要能级的寿命分别为：6H9/2+6F11/2能级寿命160微秒，6H11/2能级寿命2毫秒，6H13/2能级寿命6毫秒，6H15/2能级为基态能级。
实验过程中，如只需产生5.5微米的激光输出，而6H11/2能级寿命大于6H9/2+6F11/2能级寿命，会使粒子累计在6H11/2能级，使6H11/2能级迅速饱和，那么当使用1.73微米的激光作为诱导光时，能够使处于6H11/2能级的粒子受激跃迁至基态，即6H15/2能级，清空6H11/2能级，以保证连续输出5.5微米的激光。
应理解，若采用此诱导方法，亦可大幅提高6H9/2+6F11/2能级至6H11/2能级的跃迁几率，促进4.3μm激光产生。
本实施例提供的诱导粒子跃迁方法，通过引入特定波长的诱导光，可以使处于第一预设能级上的粒子受激跃迁至下能级，这样不仅能够迅速清空第一预设能级上的粒子，维持粒子数反转状态，持续输出激光，还能够使粒子迅速积累在指定的能级上，进而使抽运至激发态的粒子尽量多地以受激发射的方式回到基态。整个过程中将大幅减少粒子自发发射产生的热量，不仅能大幅提高光-光效率，同时还能大幅降低晶体上的散热压力，实现了更大抽运体积、更大抽运功率和更大激光输出功率的持续激光输出。
可选地，在一些实施例中，根据激光激活介质的第一预设能级确定诱导光的波长，具体包括：
获取处于激光激活介质的第一预设能级的粒子跃迁至第二预设能级时输出光的波长，其中，所述第二预设能级的寿命小于所述第一预设能级的寿命；
根据输出光的波长确定诱导光的波长。
可选地，在一些实施例中，根据以下公式确定诱导光的波长：
其中，λ为诱导光的波长，λ1、λ2、…、λn依次为从第一预设能级起，粒子跃迁至下一能级时输出光的波长，直到第二预设能级为止。
例如，如图3所示，当需要清空6H11/2能级的粒子时，使6H11/2能级的粒子受激跃迁至基态，那么：
诱导光的波长λ＝1/(1/4.3+1/2.9)μm＝1.73μm。
需要说明的是，图3中λ2的波段为4.3～4.7μm，为便于计算，取4.3μm。
应理解，上述公式中的λ1是粒子从第一预设能级跃迁到下一能级发出的光的波长，因此，图3中的λ2应与公式中的λ1对应，在此不再赘述。
又例如，如果只想让粒子从6H9/2+6F11/2能级跃迁至6H11/2能级，那么只需要1/(1/5.5)μm＝5.5μm的诱导光即可。
可选地，在一些实施例中，第二预设能级为最低能级。
可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施例中的部分或全部可选实施方式。
如图4所示，为本发明诱导粒子跃迁装置的实施例提供的结构示意图，该诱导粒子跃迁装置包括：
激光发生器1，用于通过激光激活介质产生激光；
处理器，用于根据激光激活介质的第一预设能级确定诱导光的波长；
诱导光发生器2，用于将该波长的诱导光射入激光激活介质，使所述第一预设能级上的粒子受激跃迁。
应理解，处理器仅用于计算诱导光的波长，在图中未体现。本领域技术人员可以根据实际需求选择处理器的种类，如计算机、平板电脑、手机等，也可以直接根据激活介质的能级差计算。
其中，激光发生器1包括：泵浦光源11、合束镜12、光束整形系统13、后腔镜14、激光激活介质15、前腔镜16和分束镜17。泵浦光源11、合束镜12、光束整形系统13、后腔镜14、激光激活介质15、前腔镜16和分束镜17依次排布在泵浦光源11发出的泵浦光的光路上，泵浦光通过合束镜12、光束整形系统13后进入谐振腔，然后通过分束镜17输出目标波段的激光。诱导光发生器2发出的诱导光可以通过合束镜12进入谐振腔。
本实施例提供的诱导粒子跃迁装置，通过诱导光发生器2将特定波长的诱导光射入激光激活介质，可以使处于第一预设能级上的粒子受激跃迁至下能级，这样不仅能够迅速清空第一预设能级上的粒子，维持粒子数反转状态，持续输出激光，还能够使粒子迅速积累在指定的能级上，进而使抽运至激发态的粒子尽量多地以受激发射的方式回到基态。整个过程中将大幅减少粒子自发发射产生的热量，不仅能大幅提高光-光效率，同时还能大幅降低晶体上的散热压力，实现了更大抽运体积、更大抽运功率和更大激光输出功率的持续激光输出。
可选地，在一些实施例中，处理器具体用于获取处于激光激活介质的第一预设能级的粒子跃迁至第二预设能级时输出光的波长，其中，所述第二预设能级的寿命小于所述第一预设能级的寿命，根据输出光的波长确定诱导光的波长。
可选地，在一些实施例中，处理器具体用于根据以下公式确定诱导光的波长：
其中，λ为诱导光的波长，λ1、λ2、…、λn依次为从第一预设能级起，粒子跃迁至下一能级时输出光的波长，直到第二预设能级为止。
可选地，在一些实施例中，第二预设能级为最低能级。
可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施例中的部分或全部可选实施方式。
需要说明的是，本实施例是与上述各方法实施例对应的产品实施例，对于本实施例中各可选实施方式的说明可以参考上述各方法实施例中的对应说明，在此不再赘述。
读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于激光激活介质的诱导粒子跃迁方法，其特征在于，包括：
当通过激光激活介质产生激光时，根据所述激光激活介质的第一预设能级确定诱导光的波长；
将所述波长的诱导光射入所述激光激活介质，使所述第一预设能级上的粒子受激跃迁。
2.根据权利要求1所述的用于激光激活介质的诱导粒子跃迁方法，其特征在于，所述根据所述激光激活介质的第一预设能级确定诱导光的波长，具体包括：
获取处于所述激光激活介质的第一预设能级的粒子跃迁至第二预设能级时输出光的波长，其中，所述第二预设能级的寿命小于所述第一预设能级的寿命；
根据所述输出光的波长确定所述诱导光的波长。
3.根据权利要求2所述的用于激光激活介质的诱导粒子跃迁方法，其特征在于，根据以下公式确定所述诱导光的波长：
其中，λ为诱导光的波长，λ1、λ2、…、λn依次为从第一预设能级起，粒子跃迁至下一能级时输出光的波长，直到第二预设能级为止。
4.根据权利要求2或3所述的用于激光激活介质的诱导粒子跃迁方法，其特征在于，所述第二预设能级为最低能级。
5.一种用于激光激活介质的诱导粒子跃迁装置，其特征在于，包括：
激光发生器，用于通过激光激活介质产生激光；
处理器，用于根据所述激光激活介质的第一预设能级确定诱导光的波长；
诱导光发生器，用于将所述波长的诱导光射入所述激光激活介质，使所述第一预设能级上的粒子受激跃迁。
6.根据权利要求5所述的用于激光激活介质的诱导粒子跃迁装置，其特征在于，所述处理器具体用于获取处于所述激光激活介质的第一预设能级的粒子跃迁至第二预设能级时输出光的波长，其中，所述第二预设能级的寿命小于所述第一预设能级的寿命，根据所述输出光的波长确定所述诱导光的波长。
7.根据权利要求6所述的用于激光激活介质的诱导粒子跃迁装置，其特征在于，所述处理器具体用于根据以下公式确定所述诱导光的波长：
其中，λ为诱导光的波长，λ1、λ2、…、λn依次为从第一预设能级起，粒子跃迁至下一能级时输出光的波长，直到第二预设能级为止。
8.根据权利要求6或7所述的用于激光激活介质的诱导粒子跃迁装置，其特征在于，所述第二预设能级为最低能级。
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