CN111834876A - 中红外激光器及其应用 - Google Patents

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易剑
江南
褚伍波
王博
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
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Abstract

本申请公开了一种中红外激光器及其应用，该激光器包括：种子光源和增益介质，种子光源产生种子光入射增益介质中后出射3.75～15μm波段的高功率中红外激光。该中红外激光功率高，能连续输出，尤其是能连续输出6～8μm波段的高功率中红外激光，可在常温下工作，有利于提高中红外激光器在各个领域的应用，该中红外激光器基于光波频率变换获得中红外激光。

Description

中红外激光器及其应用
技术领域
本申请涉及一种中红外激光器及其应用，属于中红外激光领域。
背景技术
中红外位于2.5～25μm的光谱波长范围内，其中，1～3μm、3～5μm和8～13μm的中红外激光在大气中传输损耗很小，对大雾、烟尘等具有较强的穿透力，可以形成一个大气传输窗口。在军事领域有潜在应用价值。有鉴于此，对这一波段激光的研究一直是光学领域的重要分支。
脉宽为皮秒级甚至飞秒级的中红外超短脉冲激光可实现大容量、高速远程通信、环境监测、激光医疗、食品检验等众多用途，是研究窄能隙半导体和超晶格多量子肼带间瞬态跃迁过程、半导体内光激发动力学、以及分子内和分子间的能量转移和解相现象等动力学问题的重要手段。
现有技术中通过利用非线性频率转换技术产生红外激光脉冲，将可见的超短脉冲频率转换到中红外区，如光学参量振荡(OPO)、参量放大(OPA)、四波混频(FWM)、差频产生(DFG)等。但参量振荡法需要谐振腔的精确匹配，并且对输入光及非线性晶体的要求较高。参量放大要求泵浦光能量很高，且受晶体材料透光范围限制，输出光调谐范围相对较小。四波混频属于三阶非线性混频，混频效率较低。
但是由于缺乏合适的激光增益介质，这种技术产生的中红外激光，尤其是6～10μm波段的激光功率较低，而且室温下激光峰值功率通常不大于10W，限制了中红外激光在各领域的应用，因此，急需一种高功率宽波段的中红外激光作为泵浦光源。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种中红外激光器，该激光器基于光波频率变换实现波长范围为3.75～15μm的中红外激光输出。
所述中红外激光器，其特征在于，包括：种子光源和增益介质，所述种子激光产生种子光入射所述增益介质后，出射中红外激光。
可选地，所述种子光为红外激光，所述红外激光的波长范围为1～5μm。
可选地，所述种子光为红外激光，所述红外激光的波长范围为2.5～5μm。
可选地，所述增益介质为金刚石晶体。
可选地，所述增益介质为金刚石晶体，所述金刚石晶体的尺寸＞3*3*3mm；杂质含量＜1ppm，热导率≥2000W/m·K，1～5μm波段透过率＞50％。
可选地，所述中红外激光器包括：聚焦光学系统，所述聚焦光学系统设置于所述种子光源与所述增益介质之间，并分别与所述种子光源和所述增益介质光路连接。
可选地，所述聚焦光学系统包括：第一凸透镜和第二凸透镜，所述第一凸透镜和所述第二凸透镜依序光路连接，所述第一凸透镜的入光面与所述种子光源光路连接；所述第二凸透镜的出光面与所述增益介质光路连接。
可选地，所述聚焦光学系统包括：光纤，所述光纤的一端与所述种子光源光路连接；所述光纤的另一端与所述第一凸透镜光路连接。
可选地，所述中红外激光波长为3.75～15μm；所述中红外激光的功率大于1kw；优选地，所述中红外激光波长为6～10μm。
根据本申请的又一个方面，提供了上述的中红外激光器在通信、激光制导、电子对抗、环境监测、农业和食品加工、医学或无损检测中的应用。
本申请中，“种子光”，包括能作为种子激光使用的光线或光束。
本申请中，“光路连接”，是指通过在各光线器件间传输的光线或光束进行连接。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的中红外激光器，结构简单、可在室温下工作、波长调谐范围大。该激光器以波长为1～5μm的种子光源，经光路系统聚焦后，通过增益介质进行调谐，实现特定波段中红外激光的输出，该激光器输出中红外激光的功率可达到1kw以上。该激光器可以实现高功率宽波段激光输出。
2)本申请所提供的中红外激光器，所输出3.75～15μm波段中红外激光可以用于通信、激光制导、电子对抗、环境监测、农业和食品加工、医学或无损检测。
附图说明
图1为本申请一种实施方式的中红外激光器结构示意图；
图2为本申请一种实施方式中以单晶金刚石作为增益介质时，输出激光波长、频率与种子光源发出波长的对应关系图；
图3为本申请一种实施方式中以波长为532nm的种子光源(绿光)输出光谱(572nm黄光)；
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。
参见图1，本申请提供的中红外激光器，包括：种子光源和增益介质，所述种子激光产生种子光入射所述增益介质后，出射中红外激光。
本申请中增益介质所具有的拉曼特征峰，由所用增益介质确定，可为一级或多级拉曼特征峰。
以下结合本领域公式推导，说明本申请技术方案的实现原理：
光通过增益介质时可能发生斯托克斯变换，其频率得到调谐，频移量Δν与增益介质的拉曼特征峰对应能量有关。
光子的能量E由普朗克常量h和频率ν(或波长λ)所决定，即E＝hν＝hc/λ(J)，若E的单位换算成eV，则有E＝hν＝hc/(kλ)，其中普朗克常量h＝6.63×10-34，k＝1.6×10-19J/eV，光速c＝3.0×108m/s。
以金刚石为例，金刚石的拉曼特征峰位于1332cm-1附近，波长为λd＝1/1332cm-1＝7.5um，对应能量Ed＝hc/(kλd)＝0.165eV。
假设输入光源波长为λinp，相应能量Einp＝hc/λinp。那么经过增益介质金刚石后，输出光的能量为Eout＝Einp-Ed，即hc/λout＝hc/λinp-hc/λd，1/λout＝1/λinp-1/λd。从而得到输出波长λout＝1.24/(1.24/λinp-0.165)。
当所用增益介质为金刚石时；根据λout＝1.24/(1.24/λinp-0.165)，其中，λinp为所述种子光的波长。调整所用种子激光的波长λinp即可实现所需波长激光的输出。上式中0.165为所述激光增益介质的拉曼特征峰对应的光波能量。因而本申请提供技术方案在理论上具有可行性。
本申请提供红外激光器输出波长和频率与种子光源发出的波长的对应关系如图2所示。本申请提供的激光器，随着入射激光波长的增加，输出波长增加；当需要提高输出功率时，需提高输入激光功率。
综上所述，种子光源射出波长为2.5～5μm波段的光波时，通过单晶金刚石的调谐作用，该中红外激光器输出的波长范围为3.75～15μm，输出激光频率范围为20～82THz。
基于上式，选择满足上式波长的种子光源，通过对应增益介质，即可得到所需波长的激光，采用该方法可以简便地得到中红外激光。
经过长期而深入的研究，意外地制备得到一种设计简单、波长调谐范围大的高功率中红外激光器，该中红外激光器无需外加冷源进行冷却即可在常温下工作。
本领域技术人员可根据需要在中红外激光器中设置各类常用光学器件，例如激光放大器、扩束器、准直器、凹、凸透镜、平面镜等。
可选地，所述种子光源为激光光源。
可选地，所述种子光为红外激光，所述红外激光的波长范围为1～5μm。优选地，所述红外激光的波长范围为2.5～5μm。
可选地，所述中红外激光器包括：聚焦光学系统，所述聚焦光学系统设置于所述种子光源与所述增益介质之间，并分别与所述种子光源和所述增益介质光路连接。
聚焦系统，用于对种子光源发出的光波进行聚焦，提高所述种子光源发出的光照射到增益介质上的功率密度。根据需要还可以设置激光放大器和准直器等常用光学器件。
可选地，所述中红外激光波长为3.75～15μm。
可选地，所述增益介质为金刚石晶体，所述金刚石晶体的尺寸大于3*3*3mm，杂质含量＜1ppm，热导率≥2000W/m·K，1～5μm波段透过率＞50％。
采用此尺寸的金刚石晶体作为增益介质，有利于实现高功率的中红外波段激光输出。
本申请的又一个方面，提供了上述的中红外激光器在通信、激光制导、电子对抗、环境监测、农业和食品加工、医学或无损检测中的应用。
下面以单晶金刚石为增益介质，结合激光聚焦系统作为本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。需要说明的是，本发明中的聚焦系统能够辅助实现较好的发明效果，但本发明目的的实现不依赖于聚焦系统的作用。附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
参见图1，中红外激光器包括种子光源、聚焦系统和增益介质。种子光源与聚焦系统光路连接，聚焦系统与增益介质光路连接。连接种子光源、聚焦系统、增益介质的光通过设置的通道传输。
种子光源出射种子光后，入射聚焦系统，经过聚焦系统对种子光的聚焦后，种子光入射增益介质，并从增益介质的另一面出射中红外激光，增益介质为金刚石介质。
种子光源发出波长为532nm的低功率激光，经过聚焦系统后被聚焦于金刚石介质上。通过金刚石频移后，实现572nm的一阶斯托克斯拉曼激光的输出(如图3所示)。
如图3所示，中红外激光输出的激光波长相较种子光源(572nm)的光波长红移了40nm。经理论计算验证频移量1/λ532nm-1/λ572nm＝1332cm-1，与金刚石的特征拉曼峰(1332cm-1)对应，实现单晶金刚石对输入光源的调谐作用。
种子光源发出上述波长的光经过聚焦系统后，聚焦在单晶金刚石上。光经过单晶金刚石，发生斯托克斯变换，其频率得到调谐。其中，频率的调谐量(频移量)Δν只与增益介质单晶金刚石的拉曼特征峰对应能量有关。
光子的能量E由普朗克常量h和频率ν(或波长λ)所决定，即E＝hν＝hc/λ(J)，若E的单位换算成eV，则有E＝hν＝hc/(kλ)，其中普朗克常量h＝6.63×10-34，k＝1.6×10-19J/eV，光速c＝3.0×108m/s。
金刚石的拉曼特征峰为1332cm-1，波长为λd＝1/1332cm-1＝7.5μm，对应能量Ed＝hc/(kλd)＝0.165eV。
假设输入光源波长为λinp，相应能量Einp＝hc/λinp。那么经过金刚石后，输出光的能量为Eout＝Einp-Ed，即hc/λout＝hc/λinp-hc/λd，1/λout＝1/λinp-1/λd。从而得到输出波长λout＝1.24/(1.24/λinp-0.165)。按上式选择合适波长的种子光源，通过单晶金刚石，即可得到中红外激光。
实施例1
参见图1，该中红外激光器包括种子光源、聚焦系统和增益介质。种子光源与聚焦系统光路连接，聚焦系统与增益介质光路连接。连接种子光源、聚焦系统、增益介质的光通过设置的通道传输。
种子光源发出波长为2.5μm的光，经过聚焦系统后入射在金刚石晶体上。金刚石晶体为尺寸4*4*4mm的正方体，杂质含量为0.1ppm。通过输入2.5μm的光源后，实现金刚石斯托克斯拉曼激光的输出，输出波长为3.75μm，相应频率为80THz，实现3.75μm中红外激光输出。
实施例2
与实施例1的区别在于：种子光源发出波长为3μm的光，经过聚焦系统3后被聚焦在金刚石样品上。通过输入3μm的光源后，实现金刚石斯托克斯拉曼激光的输出，输出波长为5μm，相应频率为60THz，实现5μm中红外激光输出。
实施例3
与实施例1的区别在于：种子光源发出波长为3.5μm的光，经过聚焦系统3后被聚焦在谐振腔中的金刚石介质上。通过输入3.5μm的光源后，实现金刚石斯托克斯拉曼激光的输出，输出波长为6.55μm，相应频率为45.8THz，实现6.55μm中红外激光输出。
实施例4
与实施例1的区别在于：种子光源发出波长为4μm的光，经过聚焦系统3后被聚焦在谐振腔中的金刚石介质上。通过输入4μm的光源后，实现金刚石斯托克斯拉曼激光的输出，输出波长为8.55μm，相应频率为35.1THz，实现8.55μm中红外激光输出。
实施例5
与实施例1的区别在于：种子光源发出波长为5μm的光，经过聚焦系统3后被聚焦在谐振腔中的金刚石介质上。通过输入5μm的光源后，实现金刚石斯托克斯拉曼激光的输出，输出波长为14.94μm，相应频率为20.1THz，实现14.94μm中红外激光输出。
对比例1
与实施例1的区别在于：种子光源发出波长为0.532μm的光，经过聚焦系统后被聚焦在谐振腔中的金刚石介质上。通过输入0.532μm的光源后，实现金刚石斯托克斯拉曼激光的输出，输出波长为0.572μm，相应频率为524.5THz，无法实现波长范围为2.5～25μm的中红外激光输出。
对比例2
与实施例1的区别在于：种子光源发出波长为1μm的光，经过聚焦系统3后被聚焦在谐振腔中的金刚石介质上。通过输入1μm的光源后，实现金刚石斯托克斯拉曼激光的输出，输出波长为1.15μm，相应频率为260.1THz，无法实现波长范围为2.5～25μm的中红外激光输出。
由对比例1～2可知，当种子光源发出激光不满足与增益介质的关系式计算结果时，无法实现波长范围为2.5～25μm的中红外激光输出。
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 (10)

1.一种中红外激光器，其特征在于，包括：种子光源和增益介质，所述种子激光产生种子光入射所述增益介质后，出射中红外激光。
2.根据权利要求1所述的中红外激光器，其特征在于，所述种子光为红外激光，所述红外激光的波长范围为1～5μm。
3.根据权利要求1所述的中红外激光器，其特征在于，所述种子光为红外激光，所述红外激光的波长范围为2.5～5μm。
4.根据权利要求1所述的中红外激光器，其特征在于，所述增益介质为金刚石晶体。
5.根据权利要求1所述的中红外激光器，其特征在于，所述增益介质为金刚石晶体，所述金刚石晶体的尺寸大于3*3*3mm；杂质含量低于1ppm。
6.根据权利要求1所述的中红外激光器，其特征在于，所述中红外激光器包括：聚焦光学系统，所述聚焦光学系统设置于所述种子光源与所述增益介质之间，并分别与所述种子光源和所述增益介质光路连接。
7.根据权利要求6所述的中红外激光器，其特征在于，所述聚焦光学系统包括：第一凸透镜和第二凸透镜，所述第一凸透镜和所述第二凸透镜依序光路连接，所述第一凸透镜的入光面与所述种子光源光路连接；所述第二凸透镜的出光面与所述增益介质光路连接。
8.根据权利要求6所述的中红外激光器，其特征在于，所述聚焦光学系统包括：光纤，所述光纤的一端与所述种子光源光路连接；所述光纤的另一端与所述第一凸透镜光路连接。
9.根据权利要求1所述的中红外激光器，其特征在于，所述中红外激光波长为3.75～15μm；所述中红外激光的功率大于1kw；
优选地，所述中红外激光波长为6～10μm。
10.权利要求1～9中任一项所述的中红外激光器在通信、激光制导、电子对抗、环境监测、农业和食品加工、医学或无损检测中的应用。
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