CN110416870A - 中长波红外激光器及中长波红外激光输出方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种中长波红外激光器及中长波红外激光输出方法，激光器包括：泵浦模块、第一谐振腔和第二谐振腔，泵浦模块用于激励第一激光工作物质以产生设定波长的第一激光。第一谐振腔用于对第一激光进行放大并输出。第一激光进入第二谐振腔内并激励第二激光工作物质，通过非线性频率变换产生中波激光和长波激光并输出。根据本发明的中长波红外激光器，通过泵浦模块激励第一激光工作物质产生具有设定波长的第一激光，第一激光在第一谐振腔内被放大后可以进入第二谐振腔内，并激励第二激光工作物质产生中波激光和长波激光。中波激光和长波激光可以在第二谐振腔内放大后同时输出，而且，中长波红外激光器的结构简单、紧凑。

Description

中长波红外激光器及中长波红外激光输出方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种中长波红外激光器及中长波红外激光输出方法。

背景技术

随着红外对抗技术的发展，可以采用中长波复合波段的焦平面探测器来装备武器以提升武器性能。

现有设备中，将1-2μm的激光作为泵浦光，由设置有磷锗锌等红外非线性晶体的光参量震荡器进行参量振荡后，一次性只能够输出中波激光和长波激光中的任意一种。想要同时输出中波激光和长波激光(中长波复合波段)，需要采用上述两套设备，一套设备输出中波激光，另一套设备输出长波激光，由于中波激光和长波激光指向性不一致，还需要再经过合束镜将两套设备分别输出的中波激光和长波激光进行合束后，才能实现中长波同时输出。但是，这样会导致激光器结构复杂、体积较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何实现中长波红外激光的高效、稳定输出，提供一种中长波红外激光器及中长波红外激光输出方法。

根据本发明的中长波红外激光器，包括：

泵浦模块，用于激励第一激光工作物质，以产生设定波长的第一激光；

第一谐振腔，用于对所述第一激光进行放大并输出，其中，所述第一激光工作物质和所述泵浦模块均设于所述第一谐振腔内；

第二谐振腔，所述第二谐振腔内设有第二激光工作物质，所述第一激光进入所述第二谐振腔内激励所述第二激光工作物质，通过非线性频率变换产生中波激光和长波激光并输出。

根据本发明的中长波红外激光器，通过第一谐振腔内的泵浦模块激励第一激光工作物质，可以产生具有设定波长的第一激光，具有设定波长的第一激光在第一谐振腔内被放大后可以进入第二谐振腔内，并激励第二谐振腔内的第二激光工作物质，从而可以产生中波激光和长波激光。产生的中波激光和长波激光可以在第二谐振腔内放大后同时输出，从而实现了中长波激光的高效、稳定输出，而且，中长波红外激光器的结构简单、紧凑。

根据本发明的一些实施例，所述第一激光工作物质为掺杂浓度为30％的掺铒钇钪镓石榴石晶体。

在本发明的一些实施例中，所述第一激光工作物质被构造为圆柱状，所述泵浦模块包括沿所述第一激光工作物质的周向方向均匀间隔分布的多组激光二极管阵列。

根据本发明的一些实施例，所述泵浦模块包括沿所述第一激光工作物质的周向方向均匀间隔分布的三组激光二极管阵列，每组所述激光二极管阵列包括四个激光二极管。

在本发明的一些实施例中，所述第一激光工作物质的上下端面均被构造为朝向柱体内部凹陷的圆弧面，所述圆弧面的半径的取值范围为500mm～2000mm。

根据本发明的一些实施例，所述第一谐振腔包括：

第一全反镜，所述第一全反镜设有第一镀膜，所述第一镀膜对所述第一激光的反射率不低于99.9％；和，

第一输出镜，所述第一输出镜设有第二镀膜，所述第二镀膜对所述第一激光的透过率不低于10％。

在本发明的一些实施例中，所述第二激光工作物质为磷锗锌晶体或硒化镉晶体。

根据本发明的一些实施例，所述第二谐振腔包括：

第二全反镜，所述第二全反镜设有第三镀膜，所述第三镀膜对所述第一激光的透过率不低于99.9％，且对所述中波激光和所述长波激光的反射率均不低于99.9％；

第二输出镜，所述第二输出镜设有第四镀膜，所述第四镀膜对所述第一激光的反射率不低于99.9％，且对所述中波激光和所述长波激光的透过率均不低于50％。

在本发明的一些实施例中，所述第一谐振腔内设有脉冲开关，用于调节所述第一激光的脉冲；和/或，

所述设定波长为2.79μm，所述中波激光的波长范围为3-5μm，所述长波激光的波长范围为8-12μm。

根据本发明的中长波红外激光输出方法，包括：

激励第一激光工作物质，产生设定波长的第一激光并输出；

采用所述第一激光对第二激光工作物质进行激励，产生中波激光和长波激光；

同时输出所述中波激光和所述长波激光。

根据本发明的中长波红外激光输出方法，采用泵浦模块泵浦第一激光工作物质产生预定波长的第一激光，利用第一激光可以泵浦第二激光工作物质以产生中波激光和长波激光，并可以实现中长波激光的同时输出，结构简单、运行可靠。

附图说明

图1为本发明实施例的中长波红外激光器的结构示意图；

图2为本发明实施例的中长波红外激光输出方法的流程图；

图3是根据本发明实施例的中长波红外激光器泵浦模块排列示意图；

图4为图3中所示的横截面剖视图。

附图标记：

激光器100，

泵浦模块10，激光二极管110，

第一激光工作物质20，

第一谐振腔30，第一全反镜310，第一输出镜320，

第二谐振腔40，第二全反镜410，第二输出镜420，

第二激光工作物质50，

脉冲开关60，

聚焦透镜70。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

根据本发明实施例的中长波红外激光器100，如图1所示，中长波红外激光器100包括：泵浦模块10、第一谐振腔30和第二谐振腔40。

具体而言，如图1所示，泵浦模块10可以用于激励第一激光工作物质20，以产生设定波长的第一激光。第一谐振腔30可以用于对第一激光进行放大并输出，其中，第一激光工作物质20和泵浦模块10均设于第一谐振腔30内。

需要说明的是，第一激光工作物质20吸收泵浦模块10发射的光能量后可以产生多个波长的受激荧光辐射，在第一谐振腔30的作用下，具有设定波长的第一激光，在第一谐振腔30内不断被放大输出，而其他波长的荧光则被抑制无法产生激光振荡，从而可以在第一谐振腔30内形成传播方向一致、频率和相位相同的单一波长的第一激光光束并被输出。

如图1所示，第二谐振腔40内可以设有第二激光工作物质50，第一激光从第一谐振腔30内射出后，可以进入第二谐振腔40内，以激励第二激光工作物质50。第二激光工作物质50在第一激光的激励作用下，通过非线性频率变换产生中波激光和长波激光并输出。

需要说明的是，第二谐振腔40可以抑制除中波激光和长波激光以外的其他波长范围的激光，并且，中波激光和长波激光在第二谐振腔40被多次反射放大后同时输出。

根据本发明的中长波红外激光器100，通过第一谐振腔30内的泵浦模块10激励第一激光工作物质20，可以产生具有设定波长的第一激光，具有设定波长的第一激光在第一谐振腔30内被放大后可以进入第二谐振腔40内，并激励第二谐振腔40内的第二激光工作物质50，从而可以产生中波激光和长波激光。产生的中波激光和长波激光可以在第二谐振腔40内放大后同时输出，从而实现了中长波激光的高效、稳定输出，而且，中长波红外激光器100的结构简单、紧凑。

根据本发明的一些实施例，第一激光工作物质20可以为掺杂浓度为30％的Er：YSGG晶体(掺铒钇钪镓石榴石晶体)。需要说明的是，泵浦模块10可以为半导体泵浦模块10，在半导体泵浦模块10的激励作用下，Er：YSGG晶体可以产生设定波长为2.79μm的第一激光。

在本发明的一些实施例中，如图3和图4所示，第一激光工作物质20可以被构造为圆柱状，泵浦模块10包括沿第一激光工作物质20的周向方向均匀间隔分布的激光二极管阵列。例如，当第一激光工作物质20为Er：YSGG晶体时，Er：YSGG晶体可以被构造为直径为3mm，高度为85mm的圆柱体。其中，Er：YSGG晶体的掺杂浓度为30％，掺杂区长度为55mm，掺杂区的两端分别为长度为15mm的非掺杂区。

泵浦模块10沿Er：YSGG晶体的周向方向均匀间隔分布，从而可以对Er：YSGG晶体进行侧面泵浦，以产生波长为2.79μm的第一激光。

根据本发明的一些实施例，如图3和图4所示，泵浦模块10可以包括沿第一激光工作物质20的周向方向均匀间隔分布的三组激光二极管阵列，每组激光二极管阵列包括四个激光二极管110。需要说明的是，泵浦模块10可以包括泵浦架、激光二极管阵列和漫反射壁，激光二极管阵列和漫反射壁可以设于泵浦架上。

如图3和图4所示，可以采用单条功率为300W、输出波长为970的脉冲激光二极管110(QGL-1200W)阵列作为泵浦单元。将12个泵浦单元分成三排，每排包括四个脉冲激光二极管110，每排的四个激光二极管110沿第一激光工作物质20的长度方向间隔分布，从而形成三组激光二极管阵列。三组激光二极管阵列沿第一激光工作物质20的周向方向均匀间隔分布，三组激光二极管阵列可以提供功率为3600W的光脉冲，激光二极管阵列发出的光部分直接耦合进第一激光工作物质20内，未被第一激光工作物质20直接吸收的光经漫反射壁反射后最终耦合到第一激光工作物质20内，以激励第一激光工作物质20发射第一激光。

在本发明的一些实施例中，第一激光工作物质20的上下端面均可以被构造为朝向柱体内部凹陷的圆弧面，圆弧面的半径的取值范围为500mm～2000mm。例如，圆弧面的半径可以为500mm。需要说明的是，这里所述的“第一激光工作物质20的上下端面”可以理解为第一激光工作物质20的轴向两端的端面。可以将第一激光工作物质20的两端的非掺杂区的端面设置为半径为500mm～2000mm的内凹圆弧面，由此，可以补偿热透镜效应，提高第一激光传播的稳定性。

如图1所示，根据本发明的一些实施例，第一谐振腔30可以包括：第一全反镜310和第一输出镜320。第一谐振腔30可以为对称平平腔，第一全反镜310和第一输出镜320可以均由导热性能良好的氟化钙晶体材料制成，第一全反镜310和第一输出镜320可以设置为直径为50mm，厚度为5mm的平面镜。

第一全反镜310设有第一镀膜，第一镀膜对第一激光的反射率不低于99.9％。由此，当泵浦模块10激励第一激光工作物质20产生第一激光时，第一激光传播至第一全反镜310时，可以被反射回第一激光工作物质20，从而可以提供光能反馈，使第一激光得到放大。例如，当第一激光为设定波长为2.79μm的第一激光时，第一镀膜对第一激光的反射率R_2.79μm≥99.9％。

需要说明的是，如图1所示，第一全反镜310可以固定至二维光学调整架上，以便于调整第一全反镜310的位置。

第一输出镜320设有第二镀膜，第二镀膜对第一激光的透过率不低于10％。例如，第二镀膜对第一激光的透过率可以为30％。由此，经过发射放大后的第一激光，部分可以穿过第一输出镜320从第一谐振腔30内输出。例如，当第一激光为设定波长为2.79μm的第一激光时，第二镀膜对第一激光的透过率T_2.79μm≥10％。

需要说明的是，第一输出镜320可以为平面耦合输出镜，如图1所示，第一输出镜320可以固定至二维光学调整架上，以便于调整第一输出镜320的位置。

在本发明的一些实施例中，第二激光工作物质50可以为非线性晶体，如第二激光工作物质50可以采用宽度和高度均为6mm，长度为30mm的长方体状的ZGP晶体(磷锗锌晶体)或CdSe晶体(硒化镉晶体)。需要说明的是，当具有设定波长的第一激光，例如，波长为2.79μm的激光可以泵浦ZGP晶体或CdSe晶体以产生波长范围在3-5μm的中波激光和波长范围在8-10μm的长波激光，从而可以形成并输出中波激光和长波激光。

根据本发明的一些实施例，如图1所示，第二谐振腔40包括：第二全反镜410和第二输出镜420。第二谐振腔40可以为对称平平腔，第二全反镜410和第二输出镜420可以均由硫化锌晶体制成，第一全反镜310和第一输出镜320可以均为平面镜。

其中，第二全反镜410设有第三镀膜，第三镀膜对第一激光的透过率不低于99.9％，且对中波激光和长波激光的反射率均不低于99.9％。由此，第一激光可以经过第二全反镜410进入第二谐振腔40内以泵浦第二激光工作物质50，使第二激光工作物质50产生中波激光和长波激光。而且，中波激光和长波激光传播至第二全反镜410时，可以被反射至第二激光工作物质50，以提供光能反馈，从而使中波激光和长波激光得到放大。

例如，当第一激光为设定波长为2.79μm的第一激光，中波激光的波长范围为3-5μm，长波激光的波长范围为8-10μm时，第三镀膜对第一激光的透过率T_2.79μm≥99.9％，对波长范围在3-5μm的中波激光的反射率R_3-5μm≥99.9％，对波长范围在8-10μm的长波激光的反射率R_8-10μm≥99.9％。

需要说明的是，如图1所示，第二全反镜410可以固定至二维光学调整架上，以便于调整第二全反镜410的位置。

第二输出镜420设有第四镀膜，第四镀膜对第一激光的反射率不低于99.9％，且对中波激光和长波激光的透过率均不低于50％。由此，当第一激光传播至第二输出镜420时，可以被反射至第二激光工作物质50上，以泵浦第二激光工作物质50产生中波激光和长波激光，而当中波激光和长波激光传播至第二输出镜420时，部分中波激光和长波激光可以同时穿过第二输出镜420。由此，实现了同时发射中长波激光的功能。

例如，当第一激光为设定波长为2.79μm的第一激光，中波激光的波长范围为3-5μm，长波激光的波长范围为8-10μm时，第四镀膜对第一激光的反射率R_2.79μm≥99.9％，对波长范围在3-5μm的中波激光的透过率T_3-5μm≥50％，对波长范围在8-10μm的长波激光的透过率R_8-10μm≥50％。

需要说明的是，第二输出镜420可以为平面镜，如图1所示，第二输出镜420可以固定至二维光学调整架上，以便于调整第二输出镜420的位置。

如图1所示，在第一谐振腔30与第二谐振腔40之间可以设有聚焦透镜70，以将从第一谐振腔30内射出的第一激光聚集传递至第二谐振腔40内。聚焦透镜70可以设有对第一激光的透射率不低于99.9％的镀膜。例如，当第一激光为设定波长为2.79μm时，聚焦透镜70的镀膜对第一激光的透射率T_2.79μm≥99.9％。第一激光工作物质20也可以设有对第一激光的透过率T_2.79μm≥99.9％的增透膜层。由此，可以避免第一激光工作物质20上下两个端面之间产生2.79μm波长的自激振荡。为了提高第一激光工作物质20端面增透膜层的抗损伤能力，第一激光工作物质20可以采用Er：YSGG键合晶体，以降低Er：YSGG晶体端面对部分第一谐振腔30内振荡光的吸收，从而缓解了由于吸热造成的端面温度升高的问题，使增透膜层保持较低的温度。

需要说明的是，第一激光工作物质20吸收泵浦模块10发射的光能量后产生多个波长的受激荧光辐射，在第一激光工作物质20端面增透膜层以及第一全反镜310和第一输出镜320的共同作用下，2.79μm波长的第一激光，在第一谐振腔30内不断被放大输出，而其他波长的荧光则被抑制无法产生激光振荡，从而使得第一谐振腔30输出的激光中只含有2.19μm单一波长的光。

在本发明的一些实施例中，第一谐振腔30内可以设有脉冲开关60，用于调节第一激光的脉冲。如图1所示，在第一谐振腔30内设有脉冲开关60，脉冲开关60位于第一激光工作物质20和第一输出镜320之间。例如，脉冲开关60可以为调Q晶体。由此，可以通过调Q晶体调节第一激光的脉冲。

根据本发明的一些实施例，设定波长可以为2.79μm，中波激光的波长范围为3-5μm，长波激光的波长范围为8-12μm。也就是说，泵浦模块10激励第一激光工作物质20时，可以产生2.79μm的第一激光，第一激光在第一谐振腔30内被放大后输出，并传播至第二谐振腔40内。第一激光泵浦第二激光工作物质50并产生波长范围在3-5μm的中波激光和波长范围在8-12μm的长波激光。中波激光和长波激光在第二谐振腔40内放大后输出。

如图2所示，根据本发明的中长波红外激光输出方法，包括：

S101：激励第一激光工作物质20，产生设定波长的第一激光并输出。如图1所示，泵浦模块10可以激励第一激光工作物质20产生预定波长为2.79um的第一激光。

S102：采用第一激光对第二激光工作物质50进行激励，以产生中波激光和长波激光。如图1所示，第一激光进入第二谐振腔40内，并激励第二激光工作物质50，以产生波长范围在3-5μm的中波激光和波长范围在8-12μm的长波激光。

S103：同时输出中波激光和长波激光。如图1所示，波长范围在3-5μm的中波激光和波长范围在8-12μm的长波激光在第二谐振腔40内被放大后，从第二输出镜420输出。

根据本发明的中长波红外激光输出方法，采用泵浦模块10泵浦第一激光工作物质20产生预定波长的第一激光，利用第一激光可以泵浦第二激光工作物质50以产生中波激光和长波激光，并可以实现中长波激光的同时输出，操作简单、运行可靠。

需要说明的是，采用本发明实施例的中长波红外光激光器100及中长波红外激光的输出方法可以应用于军事武器上，中长波红外光激光器100可以方便、高效地实现中长波激光共口径的同时输出，拓展了激光系统的干扰波段，因此，拓展了激光器100的干扰能力。而且，本发明的激光器100的中长波激光两束光指向性一致，出光位置一致，可以减少中波激光和长波激光两路光合束所采用的光学镜片，从而可以大大缩小激光器100的光路体积，使得激光器100的结构更加紧凑。而且，在光参量振荡过程中产生的信号光，闪频光分别对应中波激光和长波激光，相较于相关技术中只能提取其中一个有用波长的激光器，减少了激光损耗，从而提升了激光器100的光光转换效率，有效提高了激光器100的性能。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (10)

1.一种中长波红外激光器，其特征在于，包括：

泵浦模块，用于激励第一激光工作物质，以产生设定波长的第一激光；

第一谐振腔，用于对所述第一激光进行放大并输出，其中，所述第一激光工作物质和所述泵浦模块均设于所述第一谐振腔内；

第二谐振腔，所述第二谐振腔内设有第二激光工作物质，所述第一激光进入所述第二谐振腔内激励所述第二激光工作物质，通过非线性频率变换产生中波激光和长波激光并输出。

2.根据权利要求1所述的中长波红外激光器，其特征在于，所述第一激光工作物质为掺杂浓度为30％的掺铒钇钪镓石榴石晶体。

3.根据权利要求1所述的中长波红外激光器，其特征在于，所述第一激光工作物质被构造为圆柱状，所述泵浦模块包括沿所述第一激光工作物质的周向方向均匀间隔分布的多组激光二极管阵列。

4.根据权利要求3所述的中长波红外激光器，其特征在于，所述泵浦模块包括沿所述第一激光工作物质的周向方向均匀间隔分布的三组激光二极管阵列，每组所述激光二极管阵列包括四个激光二极管。

5.根据权利要求3所述的中长波红外激光器，其特征在于，所述第一激光工作物质的上下端面均被构造为朝向柱体内部凹陷的圆弧面，所述圆弧面的半径的取值范围为500mm～2000mm。

6.根据权利要求1所述的中长波红外激光器，其特征在于，所述第一谐振腔包括：

第一全反镜，所述第一全反镜设有第一镀膜，所述第一镀膜对所述第一激光的反射率不低于99.9％；和，

第一输出镜，所述第一输出镜设有第二镀膜，所述第二镀膜对所述第一激光的透过率不低于10％。

7.根据权利要求1所述的中长波红外激光器，其特征在于，所述第二激光工作物质为磷锗锌晶体或硒化镉晶体。

8.根据权利要求1所述的中长波红外激光器，其特征在于，所述第二谐振腔包括：

第二全反镜，所述第二全反镜设有第三镀膜，所述第三镀膜对所述第一激光的透过率不低于99.9％，且对所述中波激光和所述长波激光的反射率均不低于99.9％；

第二输出镜，所述第二输出镜设有第四镀膜，所述第四镀膜对所述第一激光的反射率不低于99.9％，且对所述中波激光和所述长波激光的透过率均不低于50％。

9.根据权利要求1所述的中长波红外激光器，其特征在于，所述第一谐振腔内设有脉冲开关，用于调节所述第一激光的脉冲；和/或，

所述设定波长为2.79μm，所述中波激光的波长范围为3-5μm，所述长波激光的波长范围为8-12μm。

10.一种中长波红外激光输出方法，其特征在于，包括：

激励第一激光工作物质，产生设定波长的第一激光并输出；

采用所述第一激光对第二激光工作物质进行激励，产生中波激光和长波激光；

同时输出所述中波激光和所述长波激光。