CN110581434A - 一种产生2微米波段单波长稳定激光输出的方法及激光器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种产生2微米波段单波长稳定激光输出的方法及激光器装置。能够在不改变其他器件参数的情况下，仅通过调整晶体掺Tm浓度、晶体长度以及输出镜透过率三者的参数取值，即可获得2微米波段单波长稳定激光输出，从而有效规避了现有技术中对各类器件参数的盲目调整。并且本发明的功率升级方法简单，可便利地获得大功率激光输出。

Description

一种产生2微米波段单波长稳定激光输出的方法及激光器 装置

技术领域

本发明涉及固体激光器技术领域，具体而言，涉及一种产生2微米波段单波长稳定大功率激光输出的方法及激光器装置。

背景技术

2微米波段处于大气传输窗口，且人眼安全，同时波段内存在丰富的水分子吸收峰、二氧化碳温室气体吸收峰，在激光雷达、激光医疗等领域具有广泛应用前景。获得2微米激光的方式主要有三种，一种是基于非线性效应的方式，采用技术和工艺较为成熟的1微米波段激光作为基频光，与非线性晶体作用产生2微米波段激光输出，此方案优点是器件和技术成熟，缺点是转化效率较低；第二种是基于半导体激光器技术方案直接输出2微米波段激光，优点是方案简单，缺点是转化效率低、光束质量差；第三种是泵浦掺铥、掺钬或铥钬共掺增益介质获得2微米波段激光，优点是输出功率高、光束质量好，缺点是结构复杂、器件和技术成熟度相对较低。

由于掺铥增益介质的吸收谱段位于800纳米附近，成熟的商业半导体激光器能够辐射800纳米附近的激光。因此，采用技术较为成熟的800纳米附近的商业半导体激光器泵浦掺铥增益介质，是获得高功率2微米波段激光输出的有效技术途径，其中常用的掺铥增益介质包括铥光纤、Tm:YAG、Tm:YLF等。采用类似方案的还有铥钬共掺的增益介质，相较于掺铥增益介质，800纳米附近半导体激光器泵浦铥钬共掺增益介质的热效应更加严重，很难实现大功率连续运转，适合低重复频率状态下脉冲运转，而且光光转化效率不高。对于掺钬增益介质来说，普遍在1.9微米附近存在吸收谱，可以采用1.9微米波段的半导体激光器或掺铥激光器作为泵浦源，该方案的优点是能够实现更长波段激光输出(2.04微米以上)，且输出激光光束质量好，在连续模式下能够实现高功率，在脉冲模式下能够兼顾高重复频率和大脉冲能量，缺点是首先要获得1.9微米波段的泵浦源激光器，一方面1.9微米波段的半导体激光器输出功率低、效率低，而通过半导体泵浦掺铥增益介质获得满足泵浦需求、大功率的1.9微米波段激光同样具有较大难度。

获得满足应用需求的半导体泵浦掺铥激光器主要有三个难点：一是大功率激光稳定输出，二是波长选择和波长稳定，三是简化结构、高转化效率。具体来说，掺铥增益介质存在较强的热效应，晶体内部温度升高会影响激光器效率，还会产生更强的热透镜效应，导致激光器模式匹配变差，影响激光器综合品质，而且Tm:YLF晶体本身易断裂。因此，高效热管理机制是实现高品质半导体激光器泵浦掺铥激光器的核心技术之一。掺铥增益介质的发射光谱相对较宽，以Tm:YLF晶体为例，半导体激光器泵浦Tm:YLF激光器的发射波长能够在几十个纳米范围内实现可调，宽调谐在多种应用中有广泛的前景。但同时半导体激光器泵浦掺铥激光器的宽调谐特性也会导致不利状况发生，如果没有良好的波长选择机制，自由运转的掺铥激光器在高功率泵浦下会同时激发多个激光波长，由于增益相近，多个波长会形成竞争，从而导致输出功率有较大幅度起伏。而且，如果输出激光波长恰好落在水分子吸收峰上，空气中的水分子吸收会进一步导致输出功率抖动加强，更有甚的是强水吸收会导致腔内光学器件损伤。

相对而言，半导体激光器泵浦Tm:YLF激光器具有增益高、激发光谱范围内存在多个掺钬增益介质的吸收谱段适合作为掺钬激光器的泵浦源(能够辐射1908纳米和1890纳米附近的激光，对应Ho:YAG、Ho:YLF和Ho:LLF等常用的掺钬激光增益介质的吸收谱)、激发光谱范围内存在大量水吸收波段适合激光医疗使用，而且非各向同性的YLF基质不同轴向的光学、热学特征会产生差异化的激光输出特征，因此大功率半导体激光器泵浦Tm:YLF激光器具有重要的研究价值和应用价值，如何获得大功率稳定的波长可选激光是关键。

参见附图1(M1为反射镜，M2为部分反射镜，LD1-LD4为半导体激光器)，现有技术中2微米波段大功率激光输出装置，通常采用体布拉格光栅(VBG，分为透射式体布拉格光栅和反射式体布拉格光栅)作为腔镜(图1中采用的是反射式体布拉格光栅)和腔内插入的F-P标准具，实现波长选择和压窄光谱宽度的功能，有时是二者选其一、有时两种方式同时采用。此外，为了获得较高输出功率和较高转化效率，目前多采用块晶体级联以及双端泵浦的方式。然而，1)块状晶体注入的泵浦功率有限，限制其功率升级；2)多块晶体级联，结构复杂，成本高；3)腔内腔内插入F-P标准具、布儒斯特片等器件，增加腔内损耗、影响激光器效率，同时会增加器件损伤风险。

近年来采用端面泵浦板条结构的报道也有一些，如Laser Phys.Lett.10(2013)所述，能够利用Tm:YLF获得大功率激光输出，可以通过腔内插入布儒斯特片改变激光的偏振方向来选择波长，但仅能选择两个波长。此外对于板条激光器来说，如果采用选波长器件实现波长选择，意味着要做大尺寸的VBG、F-P标准具等，加工难度增加，且价格昂贵。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种简单、有效、稳定的获取大功率2微米波段单波长激光输出的装置。

因此，本发明的第一方面，提供一种产生2微米波段单波长稳定激光输出的方法，所述方法包括：

a、将800nm附近泵浦光经整形后照射掺Tm板条晶体，所述掺Tm板条晶体作为产生2微米波段激光的增益介质；

b、在不改变其他器件参数的情况下，分别调整所述掺Tm板条晶体的掺Tm浓度、所述掺Tm板条晶体的长度以及输出镜透过率三者的参数取值，使得所述泵浦光经所述掺Tm板条晶体产生2微米波段单波长稳定激光并经所述输出镜输出；

其中，所述输出镜透过率为2微米波段激光对应透过率。

进一步的，所述步骤b为：

b1、在不改变其他器件参数的情况下，预先测得能够产生2微米波段单波长稳定激光输出所对应的所述掺Tm浓度、所述长度以及所述透过率三者分别的预设参数范围；

b2、实际使用时，在不改变其他器件参数的情况下，分别调整所述掺Tm浓度、所述长度以及所述透过率三者的参数取值至相应的所述预设参数范围内，使得所述泵浦光经所述掺Tm板条晶体产生2微米波段单波长稳定激光并经所述输出镜输出。

进一步的，所述步骤b2为：

实际使用时，在不改变其他器件参数的情况下，首先设定所述掺Tm浓度与所述长度在相应的所述预设参数范围内的取定值，然后在相应的所述预设参数范围内调整所述透过率的取值，使得所述泵浦光经所述掺Tm板条晶体产生预期单波长与预期稳定度的2微米波段单波长稳定激光，并经所述输出镜输出。

进一步的，所述掺Tm板条晶体为Tm：YLF板条晶体、Tm：YAP板条晶体或Tm：YAG板条晶体。

进一步的，所述掺Tm板条晶体为Tm：YLF板条晶体，并且其掺Tm浓度相应的所述预设参数范围为1.5％at.-3％at.，并且其长度相应的所述预设参数范围为12-30mm，并且输出镜透过率相应的所述预设参数范围为20％-40％。

本发明的另一方面，提供一种2微米波段激光器装置，所述装置应用于上述产生2微米波段单波长稳定激光输出的方法；

所述激光器装置包括：半导体激光泵浦源、泵浦光整形系统、输入镜、所述掺Tm板条晶体以及所述输出镜；

所述半导体激光泵浦源发出所述泵浦光，并经所述泵浦光整形系统整形后，经过所述输入镜投射于所述掺Tm板条晶体以产生2微米波段单波长稳定激光并经所述输出镜输出。

进一步的，所述掺Tm板条晶体为Tm：YLF板条晶体，其掺Tm浓度为2.5％at.，并且其长度为20mm，并且限定所述输出镜的透过率为20％或40％。

进一步的，所述泵浦光经过所述泵浦光整形系统后，被整形成一条均匀的矩形光斑以投射于所述掺Tm板条晶体。

进一步的，所述矩形光斑部分在所述掺Tm板条晶体的宽度方向上充满，而在厚度方向上仅仅充满所述掺Tm板条晶体的中央部分。

进一步的，所述掺Tm板条晶体的宽度尺寸为10-30mm。

本发明的有益之处至少包括：

(1)本发明创新性的通过研究发现，在不改变其他器件参数的情况下，仅通过调整晶体掺Tm浓度、晶体长度以及输出镜透过率三者的参数取值，即可获得2微米波段单波长稳定激光输出，从而有效规避了现有技术中对各类器件参数的盲目调整，并可通过固定两者参数调整另一参数的方式获得预期单波长与预期稳定度，极大提高了激光产生与调整效率。

(2)本发明可通过固定浓度与长度参数，进而仅利用输出镜透过率的改变，选择所需的单波长的激光输出，既可以消除大尺寸VBG和F-P标准具带来制造工艺复杂和造价昂贵的问题，又可以较少元器件所带来的损耗和不稳定性，简化系统。

(3)本发明可以通过扩展板条晶体宽度方向的尺寸，来获得更高的泵浦光注入，从而，获得更高的激光输出，功率升级简单。

附图说明

图1为现有技术中2微米波段大功率激光输出装置结构示意图；

图2(a)、(b)分别为本发明2微米波段大功率激光输出装置结构在X-Z平面与Y-Z平面的示意图；

图3(a)-(c)为本发明具体实施例中，当掺Tm与晶体长度设定特定值时，不同输出镜透过率对应的波长特性图；

图4为本发明具体实施例中，当掺Tm与晶体长度设定特定值时，20％与40％透过率分别对应的波长值与稳定度特性图；

图5为本发明产生2微米波段单波长稳定激光输出的流程示意图。

附图标记说明：

1-半导体激光泵浦源；2-泵浦光整形系统；3-输入镜；4-掺Tm板条晶体；5-输出镜；21-第一平凸柱面透镜；22-第二平凸柱面透镜；23-矩形波导；24-第三平凸柱面透镜；25-第四平凸柱面透镜；26-球面透镜。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参见附图2，为本发明2微米波段大功率激光输出装置结构示意图。激光器装置包括：半导体激光泵浦源1(该泵浦源为800nm波长附近泵浦源，优选如792纳米的激光二极管叠阵)、泵浦光整形系统2、输入镜3、掺Tm板条晶体4(如Tm:YLF)和输出镜5。其中，整形系统2自上游向下游(设定光是自上游向下游的方向而传播的，从而定义上下游)依次包括：第一平凸柱面透镜21，第二平凸柱面透镜22，矩形波导23，第三平凸柱面透镜24，第四平凸柱面透镜25和球面透镜26。

半导体激光泵浦源1发射泵浦光经过整形系统2，被整形成一条均匀的矩形光斑以部分充满板条晶体4，即在板条晶体4的宽度方向(如附图2(a)所示)上充满，在厚度方向上仅仅充满晶体的中央部分(如附图2(b)所示)。谐振腔由输入镜4和输出镜5构成，但本发明也不限于此，谐振腔亦可采用折叠腔，从而采用双端面泵浦的方式。本发明谐振腔也可以采用混合腔结构，通过令矩形光斑部分充满板条晶体使得在晶体的宽度方向上是非稳腔，在晶体的厚度方向上是稳腔，分别利用各自的优势，获得高功率，高效率，高光束质量的激光。

整形系统2中的各个透镜的两个通光面均镀有对泵浦光的增透膜。输入镜3为平凹球面输入镜或平凹柱面镜，其两个面都镀有对泵浦光的增透膜并且其腔侧的面镀有对激光的高反膜。输出镜5为平面输出镜或平凹柱面镜或者平凹球面镜，镀有对2微米波段激光的部分高反膜(即具有一定透过率)。

掺Tm板条晶体4的长度方向(即泵浦光穿过板条晶体的方向)的两个通光面均镀有对泵浦光和激光的高透膜。板条晶体4可以为Tm：YLF板条晶体、Tm：YAP板条晶体或Tm：YAG板条晶体。研究发现，对于各类掺Tm板条晶体在2微米波段，基于晶体掺杂浓度、晶体长度与输出镜透过率三者参数即可调整得到稳定度高的单波长激光，具有普适性。而对于其他晶体在其他波段则未必可得到上述关系，主要是由于其它波段的发射谱一般比较窄，或者说辐射波长离得比较远，增益差距太大。例如Nd：YAG的发射峰是1064nm、1122nm、1319nm等。而对于大功率的实现，则主要是通过扩展板条晶体的宽度尺寸，在保持泵浦功率密度不变的情况下(泵浦功率密度需超过激光振荡阈值且不达到晶体损伤阈值)，实现了更高的泵浦光注入，从而获得更高功率的激光输出。对于2微米波段而言，本发明优选晶体宽度尺寸为10-30mm。进一步优选地，所述板条晶体Tm:YLF沿厚度方向的上下两平面可通过与带微通道的紫铜焊接，通水冷却散热，从而提高晶体的断裂极限，更有利于更高功率的激光输出。

参见图5，为本发明产生2微米波段单波长稳定激光的流程示意图。该方法主要包括：

第一，将800nm附近泵浦光经整形后照射掺Tm板条晶体。

第二，在不改变其他器件参数的情况下，分别调整掺Tm板条晶体的掺Tm浓度、掺Tm板条晶体的长度以及输出镜透过率三者的参数取值，使得泵浦光经掺Tm板条晶体产生2微米波段单波长稳定激光并经输出镜输出。

优选地，为提高实际使用时参数调整效率与目的性，可预先测得三者参数的预设参数范围。即在不改变其他器件参数的情况下，预先测得能够产生2微米波段单波长稳定激光所对应的掺Tm浓度、长度以及透过率三者分别的预设参数范围；当实际使用时，在不改变其他器件参数的情况下，分别调整掺Tm浓度、长度以及透过率三者的参数取值至相应的预选参数范围内，使得泵浦光经掺Tm板条晶体产生2微米波段单波长稳定激光并经输出镜输出。

需要说明的是，在预先测得三者参数预设参数范围时，本领域技术人员并不需要付出难以预计的工作量，实际上本发明所关注的并非如何通过掺Tm晶体产生2微米波段激光(现有技术中已经存在通过掺Tm晶体产生2微米波段激光的若干方案)，而是揭示通过调整三者参数而不改变其他器件参数的情况下产生2微米波段单波长稳定激光输出，并可避免对VBG和F-P标准具的使用。因而，本领域技术人员在现有技术中已有的通过掺Tm晶体产生2微米波段激光的若干方案中，已然积累了关于上述三者参数的经验值(当然本领域技术人员之前尚未意识到仅通过调整这三者参数即可获得预期激光，因而也记录了大量其他器件参数)，因此本领域技术人员可以在已有经验值附近进行有关测定工作。

优选地，在实际使用时，可首先设定掺Tm浓度与长度在相应的预设参数范围内的取定值，然后在相应的预设参数范围内调整透过率的取值，使得泵浦光经掺Tm板条晶体产生预期单波长与预期稳定度的2微米波段单波长稳定激光，并经输出镜输出。因此本发明能够仅利用输出镜透过率的改变，选择所需的单波长的激光输出，既可以消除大尺寸VBG和F-P标准具带来制造工艺复杂和造价昂贵的问题，又可以减少元器件所带来的损耗和不稳定性，简化系统。

下面，作为具体实施例，本发明以Tm：YLF板条晶体为例，详细说明本发明。需要注意的是，上述三者参数的关系规律同样适用于其他掺Tm板条晶体，如Tm：YAP或Tm：YAG等，但其相应的三者参数取值各有不同。

对于Tm：YLF板条晶体，在确定的晶体掺杂浓度和晶体长度条件下，通过改变输出镜输出透过率在10％-50％之间变化，即可以实现激光输出光谱压窄和波长选择。

优选地，Tm：YLF板条晶体对应的Tm掺杂浓度范围为1.5％at.-3％at.、晶体长度范围是12-30mm，改变输出透过率在20％-40％间，能够获得稳定的单波长2微米激光输出。上述各参数范围即可为预先测得的三者参数的预设参数范围。

因此在本实施例中，可以通过改变输出镜透过率，找到输出透过率与激光输出波长之间一一对应关系，调节输出镜透过率，获得所需的单波长激光输出。经研究发现：产生这一现象的原因是由于掺Tm增益介质的特性导致的，对于准三能级的掺铥激光器，存在再吸收，波长越长，再吸收损耗小，当采用低输出透过率时，低的再吸收损耗会导致低阈值，因此长波长激光会优先起振。随着输出透过率的增加，再吸收损耗对阈值的影响降低，而短波长发射截面略大的优势得以体现，增益高的短波长激光会优先起振。激光器的中的再吸收、增益与晶体的掺杂浓度、晶体长度相关。

进一步优选的，本发明研究得出：对于2.5％at.掺杂的Tm：YLF晶体，其尺寸为20mm(L)×12mm(W)×1.2mm(H)时(对应长度为20mm时)，并输出镜透过率为20％-40％时，更有利于获得稳定度更高的2微米波段单波长激光输出。如附图3(a)-(c)所示，为2.5％at.掺杂、晶体长度为20mm，选择输出镜透过率分别为10％、30％、15％、50％、20％和40％时，检测输出2微米波段激光的波长特性(如附图3(a)-(c))。

最为优选的，参见附图4，当2.5％at.掺杂、晶体长度为20mm时，输出镜透过率为20％或40％时，其能够获得最为优异稳定度(稳定度分别为0.16％和0.23％)的2微米波段单波长激光。

综上，本发明利用谐振腔本身参数，选择所需的单波长激光输出，且与激光晶体偏振态无关，简化谐振腔结构、增加系统稳定性。最终获得大功率单波长的激光输出。并且本发明的功率升级方法简单，可便利地获得大功率激光输出。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种产生2微米波段单波长稳定激光输出的方法，其特征在于：所述方法包括：

a、将800nm附近泵浦光经整形后照射掺Tm板条晶体，所述掺Tm板条晶体作为产生2微米波段激光的增益介质；

b、在不改变其他器件参数的情况下，分别调整所述掺Tm板条晶体的掺Tm浓度、所述掺Tm板条晶体的长度以及输出镜透过率三者的参数取值，使得所述泵浦光经所述掺Tm板条晶体产生2微米波段单波长稳定激光并经所述输出镜输出；

其中，所述输出镜透过率为2微米波段激光对应透过率。

2.根据权利要求1所述的产生2微米波段单波长稳定激光输出的方法，其特征在于：所述步骤b为：

b1、在不改变其他器件参数的情况下，预先测得能够产生2微米波段单波长稳定激光输出所对应的所述掺Tm浓度、所述长度以及所述透过率三者分别的预设参数范围；

b2、实际使用时，在不改变其他器件参数的情况下，分别调整所述掺Tm浓度、所述长度以及所述透过率三者的参数取值至相应的所述预设参数范围内，使得所述泵浦光经所述掺Tm板条晶体产生2微米波段单波长稳定激光输出并经所述输出镜输出。

3.根据权利要求2所述的产生2微米波段单波长稳定激光输出的方法，其特征在于：所述步骤b2为：

实际使用时，在不改变其他器件参数的情况下，首先设定所述掺Tm浓度与所述长度在相应的所述预设参数范围内的取定值，然后在相应的所述预设参数范围内调整所述透过率的取值，使得所述泵浦光经所述掺Tm板条晶体产生预期单波长与预期稳定度的2微米波段单波长稳定激光输出，并经所述输出镜输出。

4.根据权利要求1-3中任一所述的产生2微米波段单波长稳定激光输出的方法，其特征在于：所述掺Tm板条晶体为Tm：YLF板条晶体、Tm：YAP板条晶体或Tm：YAG板条晶体。

5.根据权利要求4所述的产生2微米波段单波长稳定激光输出的方法，其特征在于：所述掺Tm板条晶体为Tm：YLF板条晶体，并且其掺Tm浓度相应的所述预设参数范围为1.5％at.-3％at.，并且其长度相应的所述预设参数范围为12-30mm，并且输出镜透过率相应的所述预设参数范围为20％-40％。

6.一种2微米波段激光器装置，所述装置应用于权利要求1-5中任一所述的产生2微米波段单波长稳定激光输出的方法；

所述激光器装置包括：半导体激光泵浦源、泵浦光整形系统、输入镜、所述掺Tm板条晶体以及所述输出镜；

所述半导体激光泵浦源发出所述泵浦光，并经所述泵浦光整形系统整形后，经过所述输入镜投射于所述掺Tm板条晶体以产生2微米波段单波长稳定激光并经所述输出镜输出。

7.根据权利要求6所述的激光器装置，其特征在于：所述掺Tm板条晶体为Tm：YLF板条晶体，其掺Tm浓度为2.5％at.，并且其长度为20mm，并且限定所述输出镜的透过率为20％或40％。

8.根据权利要求6-7中任一所述的激光器装置，其特征在于：所述泵浦光经过所述泵浦光整形系统后，被整形成一条均匀的矩形光斑以投射于所述掺Tm板条晶体。

9.根据权利要求8所述的激光器装置，其特征在于：所述矩形光斑部分在所述掺Tm板条晶体的宽度方向上充满，而在厚度方向上仅仅充满所述掺Tm板条晶体的中央部分。

10.根据权利要求6-7中任一所述的激光器装置，其特征在于：所述掺Tm板条晶体的宽度尺寸为10-30mm。