CN110632805A - 固体单激光器双波长抽运光学差频太赫兹波产生装置 - Google Patents

固体单激光器双波长抽运光学差频太赫兹波产生装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种固体单激光器双波长抽运光学差频太赫兹波产生装置,包括:基于双掺钬铥离子的单激光器,用于输出双波长抽运源;所述双波长抽运源是基于双掺钬铥离子自身的最强本征辐射波长下的钬激光和铥激光,由钬铥离子能量关联转移饱和放大产生输出;钬铥激光光束整形器,用于改变所述钬激光和所述铥激光的光斑大小,得到整形后双波长抽运源;光学差频器,用于在光学差频变换过程中利用所述整形后双波长抽运源产生太赫兹波;太赫兹波筛选器,用于滤除在完成光学差频变换过程后剩余的所述双波长抽运源,获得所述太赫兹波。本发明的固体单激光器双波长抽运光学差频太赫兹波产生装置可同时满足结构简单紧凑、稳定性好以及功率高。

Description

固体单激光器双波长抽运光学差频太赫兹波产生装置
技术领域
本发明实施例涉及太赫兹波技术领域,尤其涉及一种固体单激光器双波长抽运光学差频太赫兹波产生装置。
背景技术
太赫兹技术在物理、化学、生命科学等基础研究学科以及医学成像、安全检查、产品检测、空间通信、武器制导等应用学科都具有重要的研究价值和应用前景。
光学差频方法是产生太赫兹波的一种常用方法。在光学差频方法中,关键技术在于获取高功率、波长接近的双波长抽运源。双波长抽运源的获取方法通常包括单激光器双波长技术、双激光器双波长技术、单光学参量振荡器(optical parametric oscillator,OPO)双波长技术、单激光器与单OPO双波长技术以及双OPO双波长技术等。
单激光器双波长技术(如:二氧化碳气体单激光器双波长技术、钕离子固体单激光器双波长技术、镱离子固体单激光器双波长技术)对应的太赫兹产生装置虽然结构简单紧凑,但由于双波长抽运源是基于激光介质中单一离子不同分离能级之间增益竞争辐射在单一激光谐振腔中振荡及放大获得的,因此,工作稳定性差,且在激光谐振腔中通常需要附加精密波长选择器件,如标准具,故功率受限不易高功率输出。双激光器双波长技术、单光学参量振荡器双波长技术、单激光器与单OPO双波长技术以及双OPO双波长技术等对应的太赫兹产生装置虽然功率高,但有的需附加精准时间延迟系统和空间耦合系统,方可使三波(抽运光、信号光和THz波)满足空间与时间精准匹配,有的需要采用多次光学变频技术及复杂膜系结构,因此,结构复杂体积大,降低可靠性。
因此,现有双波长抽运光学差频太赫兹波产生技术存在不足,或者存在工作稳定性差、输出功率低,或者存在结构复杂体积大,不能同时满足结构简单紧凑、稳定性好以及功率高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供一种固体单激光器双波长抽运光学差频太赫兹波产生装置,解决现有双波长抽运光学差频太赫兹波产生技术中不能同时满足结构简单紧凑、稳定性好以及功率高的技术问题。
(二)技术方案
为解决上述技术问题,本发明提供一种固体单激光器双波长抽运光学差频太赫兹波产生装置,包括:依次连接的基于双掺钬铥离子的单激光器、钬铥激光光束整形器、光学差频器和太赫兹波筛选器;
基于双掺钬铥离子的单激光器,用于输出双波长抽运源;所述双波长抽运源是基于双掺钬铥离子自身的最强本征辐射波长下的钬激光和铥激光,由在钬铥离子能量关联转移饱和放大产生输出;所述双波长抽运源的产生原理有别于现有单激光器双波长抽运源,其不是基于双掺钬铥晶体中某单一离子不同分离能级之间增益竞争辐射,有效规避了分离能级之间增益竞争而引起双波长抽运源输出稳定性差;所述钬激光和铥激光分别作为光学差频太赫兹波产生的信号光和抽运光;
钬铥激光光束整形器,用于改变所述钬激光和所述铥激光的光斑大小,得到整形后双波长抽运源,优化所述整形后双波长抽运源在所述光学差频器中的功率密度;
光学差频器,用于在光学差频变换过程中利用所述整形后双波长抽运源产生太赫兹波;
太赫兹波筛选器,安装在所述光学差频器的输出端后面的光路中,用于滤除在完成光学差频变换过程后剩余的所述双波长抽运源,获得太赫兹波。
在上述方案的基础上,所述基于双掺钬铥离子的单激光器包括单一激光谐振腔、钬铥激光模块和脉冲激光调制器;所述钬铥激光模块和所述脉冲激光调制器设置于所述单一激光谐振腔内。
在上述方案的基础上,所述单一激光谐振腔包括高反镜和输出耦合镜,所述单一激光谐振腔内无附加波长选择元器件;
所述高反镜位于所述钬铥激光模块远离所述脉冲激光调制器的一侧;
所述输出耦合镜位于所述脉冲激光调制器远离所述钬铥激光模块的一侧。
在上述方案的基础上,所述高反镜和所述输出耦合镜的表面膜系单一。
在上述方案的基础上,所述钬铥激光模块包括双掺钬铥晶体;所述双掺钬铥晶体中铥离子掺杂浓度为3at.%±1.5at.%,而所述双掺钬铥晶体中钬离子掺杂浓度以产生最大太赫兹波功率而定,以实现太赫兹波的最优转换。
在上述方案的基础上,所述双掺钬铥晶体为棒状或板条状。
在上述方案的基础上,所述基于双掺钬铥离子的单激光器的泵浦光由二极管激光器产生;所述二极管激光器的辐射中心波长对应铥离子吸收峰。
在上述方案的基础上,所述泵浦光的泵浦方式包括侧面泵浦、端面泵浦和面阵泵浦中的至少一种。
在上述方案的基础上,所述光学差频器包括砷化镓晶体光学差频器、苯乙烯基吡啶晶体光学差频器和磷锗锌晶体光学差频器。
(三)有益效果
本发明提供的固体单激光器双波长抽运光学差频太赫兹波产生装置中,由于双波长抽运源设计独特:首先,双波长抽运源是基于双掺钬铥离子自身的本征辐射波长下的钬激光和铥激光,是钬铥离子腔中能量关联转移饱和放大产生,从原理上规避了分离能级之间增益竞争而引起输出稳定性差,可保证发明的光学差频太赫兹波产生装置的工作稳定性好、输出功率高;其次,双波长抽运源是从单一膜系以及无附加波长选择器件的单一激光谐振腔中产生输出,从而双波长抽运源同时间同空间输出,三波(双波长抽运源和太赫兹波)自适应满足空间与时间精准匹配,可保证太赫兹波装置结构简单紧凑、高功率可靠运转。总之,本发明的固体单激光器双波长抽运光学差频太赫兹波产生装置可同时满足结构简单紧凑、工作稳定性好、输出功率高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种固体单激光器双波长抽运光学差频太赫兹波产生装置实施例结构示意图;
图2为本发明的基于双掺钬铥离子的单激光器双波长抽运源能量关联转移饱和放大产生示意图;
图3为本发明的基于双掺钬铥离子的单激光器结构实施例示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提出一种固体单激光器双波长抽运光学差频太赫兹波产生装置,参见图1,包括:依次连接的基于双掺钬铥离子的单激光器11、钬铥激光光束整形器12、光学差频器13和太赫兹波筛选器14;所述基于双掺钬铥离子的单激光器11,用于输出双波长抽运源;所述双波长抽运源是基于双掺钬铥离子自身的最强本征辐射波长下的钬激光和铥激光,由钬铥离子能量关联转移饱和放大产生输出;钬铥激光光束整形器12,用于改变所述钬激光和所述铥激光的光斑大小,得到整形后双波长抽运源;光学差频器13,用于在光学差频变换过程中利用所述整形后双波长抽运源产生太赫兹波;太赫兹波筛选器14,用于滤除在完成光学差频变换过程后剩余的所述双波长抽运源,获得所述太赫兹波。
在本实施例中,基于双掺钬铥离子的单激光器11,用于输出双波长抽运源;所述双波长抽运源是钬铥离子自身的最强本征辐射波长下的钬激光和铥激光,不同于现有单激光器双波长抽运源的产生原理,不是基于双掺钬铥晶体中钬离子或者铥离子不同分离能级之间增益竞争辐射波长钬激光或者铥激光,有效地规避了分离能级之间增益竞争引起的双波长抽运源输出稳定差。所述双波长抽运源处于能量关联转移饱和放大状态,可保障双掺钬铥离子自身的最强本征辐射波长下的钬激光和铥激光稳定高功率输出;所述钬激光和铥激光分别作为光学差频太赫兹波产生的信号光和抽运光。
所述基于双掺钬铥离子的单激光器双波长抽运源能量关联转移饱和放大产生的原理示意图见图2。所述基于双掺钬铥离子的单激光器11工作时,首先由所述双掺钬铥晶体中的铥离子负责吸收所述中心波长为785nm附近二极管激光器辐射能量,当所述二极管激光器辐射能量较低时,被铥离子吸收的能量被转移到所述双掺钬铥晶体中的钬离子产生钬离子5I75I8能级之间的本征辐射,进一步增加所述二极管激光器辐射能量,钬离子本征辐射满足激光振荡条件后先产生钬激光2.09μm输出,输出的钬激光功率随着所述二极管激光器辐射能量的增加而增强,先达到饱和放大;当所述二极管激光器辐射能量逐渐增加到一定值后钬离子无法完全吸收被铥离子转移能量,铥离子3F43H6能级之间的本征辐射逐渐增强并振荡产生铥激光2.02μm输出;最终获得高功率双波长抽运源。
钬铥激光光束整形器12,由透镜组及其固定器件组成,用于改变所述钬激光和所述铥激光的光斑大小,得到整形后双波长抽运源;
光学差频器13,由非线性晶体及固定调节器件组成,用于在光学差频变换过程中利用所述整形后的双波长抽运源产生太赫兹波;
太赫兹波筛选器14,安装在所述光学差频器的输出端后面的光路中,用于滤除在完成光学差频变换过程后剩余的所述双波长抽运源,获得太赫兹波。太赫兹波筛选器14,优选地,由镀有单一平滑膜系2.05μm高反膜的锗镜与黑色聚乙烯(PE)片组成。
本发明提供的固体单激光器双波长抽运光学差频太赫兹波产生装置中,由于双波长抽运源设计独特:首先,双波长抽运源是基于双掺钬铥离子自身的本征辐射波长下的钬激光和铥激光,是钬铥离子能量关联转移饱和放大产生输出,从原理上规避了分离能级之间增益竞争而引起输出稳定性差,可保证发明的光学差频太赫兹波产生装置的工作稳定性好、输出功率高;其次,双波长抽运源是从单一膜系以及无附加波长选择器件的单一激光谐振腔中产生输出,从而双波长抽运源同时间同空间输出,三波(双波长抽运源和太赫兹波)自适应满足空间与时间精准匹配,可保证太赫兹波装置结构简单紧凑、高功率可靠运转。总之,本发明的固体单激光器双波长抽运光学差频太赫兹波产生装置可同时满足结构简单紧凑、工作稳定性好、输出功率高。
作为一种可选实施例,基于双掺钬铥离子的单激光器11,见图3,包括单一激光谐振腔111、钬铥激光模块112和脉冲激光调制器113;所述钬铥激光模块112和所述脉冲激光调制器113设置于所述单一激光谐振腔111内。
在本实施例中,在泵浦光的作用下,钬铥激光模块112中的双掺钬铥离子能量关联转移在单一激光谐振腔111中处于饱和放大状态,且双掺钬铥离子关联本征辐射饱和放大,产生最强本征辐射的双波长抽运源。
作为一种可选实施例,单一激光谐振腔111包括高反镜和输出耦合镜,所述单一激光谐振腔111内无附加波长选择元器件,减少所述单一激光谐振腔111内插入损耗;所述高反镜位于所述钬铥激光模块112远离所述脉冲激光调制器113的一侧;所述输出耦合镜位于所述脉冲激光调制器113远离所述钬铥激光模块112的一侧。
在本实施例中,在泵浦光的作用下,钬铥激光模块112中的双掺钬铥离子关联本征辐射在单一激光谐振腔111中振荡及饱和放大产生高稳定性钬激光与铥激光。其中,最强本征辐射的钬激光与铥激光作为双波长抽运源通过输出耦合镜输出。
作为一种可选实施例,高反镜和所述输出耦合镜的表面膜系单一。
在本实施例中,高反镜镀有单一平滑高反膜系,输出耦合镜镀有单一平滑半透半反膜系,可有效降低膜系复杂性,保障膜系高损伤阈值,有利于输出高功率所述双波长抽运源。优选地,高反镜表面镀有单一平滑膜系HR@2.05μm>99.5%,输出耦合镜的表面镀有单一平滑膜系T@2.05μm=20%。
作为一种可选实施例,钬铥激光模块112包括双掺钬铥晶体;所述双掺钬铥晶体中铥离子掺杂浓度为3at.%±1.5at.%,而所述双掺钬铥晶体中钬离子掺杂浓度以产生最大太赫兹波功率而定,以实现太赫兹波的最优转换。
在本实施例中,基于双掺钬铥离子的单激光器11产生的双波长抽运源的功率大小可以通过优化双掺钬铥离子的掺杂浓度进行控制。优选地,铥离子掺杂浓度为3at.%±1.5at.%,钬离子掺杂浓度为0.005at.%。
作为一种可选实施例,双掺钬铥晶体为棒状或板条状。
在本实施例中,双掺钬铥晶体的形状根据实际需求可以为棒状或板条状。优选地,双掺钬铥晶体为棒状,直径为4mm,长度为84mm,采用两端键合白YAG结构,两端白YAG长度分别为18mm。
作为一种可选实施例,所述基于双掺钬铥离子的单激光器11的泵浦光由二极管激光器产生;所述二极管激光器的辐射中心波长对应铥离子吸收峰。
在本实施例中,由二极管激光器产生且辐射中心波长对应铥离子吸收峰的泵浦光,优选地,辐射中心波长为785nm。
作为一种可选实施例,二极管激光器的泵浦方式包括侧面泵浦、端面泵浦和面阵泵浦中的至少一种。
在本实施例中,由二极管激光器产生的泵浦光的泵浦方式为侧面泵浦,优选地,采用1×4列阵,3维均匀环绕在双掺钬铥晶体侧面。
作为一种可选实施例,光学差频器13包括砷化镓晶体光学差频器、苯乙烯基吡啶晶体光学差频器和磷锗锌晶体光学差频器。
作为一种可选实施例,所述基于双掺钬铥离子的单激光器为固体激光器或光纤激光器。
下面详细介绍本发明实施例具体结构:
实施例1:
本实施例1提供一种固体单激光器双波长抽运光学差频太赫兹波产生装置的具体结构,包括,基于双掺钬铥离子的单激光器、钬铥激光光束整形器、光学差频器以及太赫兹波筛选器;其中:
基于双掺钬铥离子的单激光器,用于输出固体2.09μm钬激光和2.02μm铥激光的双波长抽运源;其中2.09μm钬激光作为光学差频太赫兹波产生的信号光,2.02μm铥激光作为光学差频太赫兹波产生的抽运光;所述基于双掺钬铥离子的单激光器结构设计独特,如图3所示,包括,单一激光谐振腔111、钬铥激光模块112和脉冲激光调制器113;所述钬铥激光模块112和所述脉冲激光调制器113设置于所述单一激光谐振腔111内。
所述单一激光谐振腔111,包括高反镜和输出耦合镜;
所述高反镜位于所述钬铥激光模块112远离所述脉冲激光调制器113的一侧;所述输出耦合镜位于所述脉冲激光调制器113远离所述钬铥激光模块112的一侧;
所述高反镜和所述输出耦合镜,其表面膜系单一;高反镜表面镀有单一平滑膜系HR@2.05μm>99.5%,输出耦合镜的表面镀有单一平滑膜系T@2.05μm=20%;
所述高反镜和所述输出耦合镜,基质材料为无水石英,直径为15mm~30mm,厚度为3mm~10mm;
所述单一激光谐振腔111内无附加波长选择元器件,减少所述单一激光谐振腔111内插入损耗,有利于高功率所述双波长抽运源输出。
所述钬铥激光模块112,包括双掺钬铥晶体、二极管激光器和机械支撑固定结构件;
所述双掺钬铥晶体,其中铥离子掺杂浓度为3at.%±1.5at.%,钬离子掺杂浓度为0.005at.%;
所述双掺钬铥晶体,为棒状,直径为4mm,长度为84mm,采用两端键合白YAG结构,两端白YAG长度分别为18mm;
所述二极管激光器,为线性列阵,辐射中心波长为780nm~790nm,对应铥离子吸收峰;
所述二极管激光器,泵浦方式为侧面泵浦;
所述二极管激光器,采用1×4列阵,3维方式均匀环绕在双掺钬铥棒状晶体的外侧面;
所述二极管激光器,由外部直流供电设备提供电能,产生辐射;
所述机械支撑固定结构件,用于固定、支撑所述双掺钬铥晶体和所述二极管激光器,其内部设计有冷却介质流动通道及高反射二极管激光器辐射结构;由外部制冷设备提供冷却介质,装置工作时,冷却介质从所述机械支撑固定结构件的通道结构一端进入后,分两部分分别流经所述双掺钬铥晶体和所述二极管激光器,对它们进行冷却,之后冷却介质从所述机械支撑固定结构件的通道结构另一端流出,回到外部冷却设备中。
所述脉冲激光调制器113,为脉冲激光产生调制器件,可产生微秒/纳秒/皮秒脉冲激光的一种。
钬铥激光光束整形器12,由透镜组及固定器件组成,透镜双面镀有单一平滑膜系HT@2.05μm>99%;所述基于双掺钬铥离子的单激光器输出的2.09μm钬激光和2.02μm铥激光双波长抽运源经过钬铥激光光束整形器后,光斑大小发生改变,获得整形后双波长抽运源,满足强功率密度但未超过器件的损伤阈值,实现高效非线性频率转化。
光学差频器13,由非线性晶体及固定调节器件组成,用于在光学差频变换过程中利用所述整形后双波长抽运源的作用下产生太赫兹波;
光学差频器13,可用砷化镓晶体光学差频器、苯乙烯基吡啶晶体光学差频器和磷锗锌晶体光学差频器;
在光学差频器13,其输出端包括完成光学差频变换过程后剩余的2.09μm钬激光和2.02μm铥激光双波长抽运源和光学差频变换过程中产生的太赫兹波。
太赫兹波筛选器14,滤除完成光学差频变换过程后剩余的2.09μm钬激光和2.02μm铥激光双波长抽运源,以获得光学差频变换过程中产生的5THz太赫兹波;
太赫兹波筛选器14,由镀有单一平滑膜系2.05μm高反膜的锗镜与黑色聚乙烯(PE)片组成;
所述的基于双掺钬铥离子的单激光器11、钬铥激光光束整形器12、光学差频器13和太赫兹波筛选器14依次连接。
实施例2:
本实施例2提供一种光纤单激光器双波长抽运光学差频太赫兹波产生装置的具体结构。所述装置包括部分与实施例1一样,包括,基于双掺钬铥离子的单激光器11、钬铥激光光束整形器12、光学差频器13以及太赫兹波筛选器14。在所包括的4个部分中,实施例2和实施例1只有基于双掺钬铥离子的单激光器11不一样,而其它3个部分都一样。对于相同部分的具体描述见实施例1所述。
实施例2与实施例1不同之处在于基于双掺钬铥离子的单激光器11。在实施例1中,所述基于双掺钬铥离子的单激光器11,由单一激光谐振腔111、钬铥激光模块112和脉冲激光调制器113组成,但是在实施2中,单一激光谐振腔111和所述钬铥激光模块112发生改变,而其它部分不变;
在实施例2中,所述单一激光谐振腔111发生改变,是指高反镜表面单一膜系发生变化,HR@2.05μm>99.5%&HT@785nm,而输出耦合镜保持不变;
在实施例2中,所述钬铥激光模块112发生改变,包括:
双掺钬铥晶体,形状为双掺钬铥光纤;
二极管激光器,泵浦方式为端面耦合泵浦;
机械支撑固定结构件,用于固定、支撑所述双掺钬铥光纤和所述二极管激光器,其内部只设计有冷却介质流动通道结构,用于流通冷却所述二极管激光器的冷却介质;
其它部分保持不变。
可见,本发明实施例具有如下有益效果:
通过独特设计:双波长抽运源为双掺钬铥离子自身的本征辐射钬激光和铥激光,是铥离子能量关联转移饱和放大产生,避免了现有单激光双波长抽运源分离能级之间增益竞争;双波长抽运源是从单一膜系以及无附加波长选择器件的单一激光谐振腔中产生,实现双波长抽运源同时间同空间输出,三波自适应满足空间与时间精准匹配;本发明的固体单激光器双波长抽运光学差频太赫兹波产生装置可同时满足结构简单紧凑、工作稳定性好、输出功率高。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种固体单激光器双波长抽运光学差频太赫兹波产生装置,其特征在于,包括:依次连接的基于双掺钬铥离子的单激光器、钬铥激光光束整形器、光学差频器和太赫兹波筛选器;
基于双掺钬铥离子的单激光器,用于输出双波长抽运源;所述双波长抽运源是基于双掺钬铥离子自身的最强本征辐射波长下的钬激光和铥激光,由钬铥离子能量关联转移饱和放大产生输出;
钬铥激光光束整形器,用于改变所述钬激光和所述铥激光的光斑大小,得到整形后双波长抽运源;
光学差频器,用于在光学差频变换过程中利用所述整形后双波长抽运源产生太赫兹波;
太赫兹波筛选器,用于滤除在完成光学差频变换过程后剩余的所述双波长抽运源,获得所述太赫兹波。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述基于双掺钬铥离子的单激光器包括单一激光谐振腔、钬铥激光模块和脉冲激光调制器;所述钬铥激光模块和所述脉冲激光调制器设置于所述单一激光谐振腔内。
3.根据权利要求1和2所述的装置,其特征在于,所述单一激光谐振腔包括高反镜和输出耦合镜;
所述高反镜位于所述钬铥激光模块远离所述脉冲激光调制器的一侧;
所述输出耦合镜位于所述脉冲激光调制器远离所述钬铥激光模块的一侧。
4.根据权利要求3所述的装置,其特征在于,所述高反镜和所述输出耦合镜的表面膜系单一。
5.根据权利要求2所述的装置,其特征在于,所述钬铥激光模块包括双掺钬铥晶体;所述双掺钬铥晶体中铥离子掺杂浓度为3at.%±1.5at.%,所述双掺钬铥晶体中钬离子掺杂浓度以产生最大太赫兹波功率而定,以实现太赫兹波的最优转换。
6.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述双掺钬铥晶体为棒状或板条状。
7.根据权利要求1-6任一项所述的装置,其特征在于,所述基于双掺钬铥离子的单激光器的泵浦光由二极管激光器产生;所述二极管激光器的辐射中心波长对应铥离子吸收峰。
8.根据权利要求7所述的装置,其特征在于,所述二极管激光器的泵浦方式包括侧面泵浦、端面泵浦和面阵泵浦中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述光学差频器包括砷化镓晶体光学差频器、苯乙烯基吡啶晶体光学差频器和磷锗锌晶体光学差频器。
10.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,所述基于双掺钬铥离子的单激光器为固体激光器或光纤激光器。
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