CN112531450A - 2μm激光二极管泵浦的全固态Tm,Ho:LLF激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光技术领域，具体的说是2μm激光二极管泵浦的全固态Tm,Ho:LLF激光器。包括泵浦源、增益介质、聚焦系统以及谐振腔；泵浦源为790nmLD，增益介质为Tm,Ho:LLF晶体，聚焦系统设置在泵浦源和增益介质之间并用于将泵浦源发出的发散光聚焦于增益介质上；谐振腔为X型并具有第一平凹镜、第二平凹镜、第三平凹镜、平面高反镜以及平面泵浦镜。本发明旨具有较大输出能量，适合于激光达标、切割和测距等。

Description

2μm激光二极管泵浦的全固态Tm,Ho:LLF激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体的说是2μm 激光二极管泵浦的全固态Tm,Ho:LLF激光器。
背景技术
早在1962年，美国的Keyes等人使用激光二极管（Laser Diode，简称LD）作为固体激光器的泵浦源实现了连续激光的输出。可惜当时LD的输出功率较小，寿命较短，没有被广泛的使用。直到上世纪八十年代中期，LD泵浦的固体激光器因其在工业、军事和科研等领域的应用比传统的泵浦源（染料、气体和闪光灯激光器）性能更加稳定，从而得到快速的发展。LD具体的优势在于其泵浦的波长能够与介质的吸收峰相对应，具有较高的量子效应和电光转换效率，较长的连续工作时间以及结构紧凑、成本低廉和光束质量好的特点。因此，在科研、材料加工、国防军事和医疗方面具有广泛的应用。
近年来，2 μm波段的激光器被广泛的应用于工业、生物医学、军事和作为更长波长激光器的泵浦源等方面。在工业方面，2 μm波段的激光非常适用于塑料材料的焊接和切割。由于塑料材料在1 μm波段的透过率较高，导致其需要在材料中加入增强激光吸收的添加剂才能够进行焊接，并且这些添加剂的制作过程较为复杂。因此，2 μm波段的激光被广泛的应用于商品包装、服装和家具等产品的生产。在生物医学方面，由于水分子对2 μm激光具有很强的吸收能力，所以2 μm激光在人体组织中的穿透能力较弱。因此，2微米激光在眼科、肿瘤切除和牙科等手术中发挥重要作用。在军事方面，2 μm波段激光对硝烟和雾霾具有很强的穿透能力，尤其是脉冲能量高的2 μm波段激光可应用于激光测距和激光雷达等方面。前述2μm激光通常为连续波运转状态。激光泵浦源持续提供能量，长时间的产生激光输出，从而得到连续激光。这种激光器的输出能量一般较小，仅适合于激光通信和激光手术等要求激光连续工作的场合，不能满足需要较大输出能量的激光达标、切割或测距需求。
发明内容
本发明旨在提供一种2μm 激光二极管泵浦的全固态Tm,Ho:LLF激光器，具有较大输出能量，适合于激光达标、切割和测距等。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案为：2μm 激光二极管泵浦的全固态Tm,Ho:LLF激光器，包括泵浦源、增益介质、聚焦系统以及谐振腔；
泵浦源为790nmLD，增益介质为Tm,Ho:LLF晶体，聚焦系统设置在泵浦源和增益介质之间并用于将泵浦源发出的发散光聚焦于增益介质上；
谐振腔为X型并具有第一平凹镜、第二平凹镜、第三平凹镜、平面高反镜以及平面泵浦镜；第二平凹镜倾斜设置在增益介质相背于聚焦系统一侧的位置并可将增益介质产生的激光反射至第三平凹镜，平面高反镜与第三平凹镜相对设置，以使增益介质产生的激光可经过第二平凹镜、第三平凹镜以及平面高反镜的反射作用重新射入增益介质中，在平面高反镜和第三平凹镜间的激光光路上还设有氧化石墨烯可饱和吸收体；平面泵浦镜倾斜设置在聚焦系统和增益介质之间并可将重新射入增益介质中的激光反在贯穿增益介质后反射至第一平凹镜，谐振腔中还设有与第一平凹镜相对并用于将经第一平凹镜反射的激光发射输出的的耦合输出镜。
优选的，增益介质的规格为3mm*3*mm*8mm，Tm3+浓度为5%，Ho3+浓度为0.5%，且增益介质沿着其自身的布鲁斯特角进行切割。
优选的，增益介质通过铝箔包括并紧密安装在水冷铜块中，冷却水的温度为11℃。
优选的，聚焦系统包括平行间隔分布的两块平凸透镜，两块平凸透镜的焦距同为75mm。
优选的，第一平凹镜、第二平凹镜以及第三平凹镜的曲率半径均为300mm，在第一平凹镜、第二平凹镜以及第三平凹镜的激光波长处均涂设有高反射层，在第一平凹镜、第二平凹镜以及第三平凹镜的泵浦波长处均涂设有抗反射层。
优选的，平面高反镜为对1800～2050nm波段反射率大于99.9%的平面反射镜。
优选的，平面泵浦镜对泵浦光的反射率≈0，对震荡光的反射率≈1。
优选的，谐振腔的长度为2.82m。
有益效果
本发明产生的激光为2μm脉冲激光。脉冲激光即指每间隔一段时间才工作一次的激光，从而使本申请产生的激光具有较大输出能量，适合于激光达标、切割和测距等应用场合。
本发明采用Tm,Ho:LLF晶体作为增益介质，在谐振腔内插入氧化石墨烯可饱和吸收体（Graphene Oxide Saturable Absorbable, GO-SA），在LD泵浦下实现了被动调Q锁模运转。最大泵浦功率为20 W时，在1892 nm的光谱中心波长处得到1050 mW的最大输出功率，重复频率和最大单脉冲能量分别为53.19 MHz和19.74 nJ。这种高脉冲能量的激光器在非线性变换研究和空间探测等方面的应用具有广阔的前景。
当本发明选择9%的耦合输出镜时，连续光最高输出功率为1791 mW，斜效率为10.75%。将氧化石墨烯可饱和吸收体加入腔内，激光进入稳定调Q锁模运转状态的阈值功率为7.26 W。增加泵浦功率达到20 W时，在1892 nm的中心波长处得到1050 mW的最大输出功率以及6.47%的斜效率。本发明的实验结果表明氧化石墨烯可饱和吸收体在2 μm波段的固体激光器中不仅是一种优异的被动锁模器件，还能适用于高功率锁模脉冲激光器，使得本发明产生高单脉冲能量的激光在非线性变换研究、X射线产生、飞秒激光泵浦、粒子加速、空间目标探测等多方面的应用具有广阔的前景。
附图说明
图1为本发明的机构示意图；
图2 为本发明的连续光输出功率随泵浦功率变化图；
图3 为本发明的锁模输出功率随泵浦功率变化图；
图4为本发明锁模激光的光谱图；
图5为本发明的扫描时间为 1ms和 10ns 的锁模脉冲序列；
图中标记：1、泵浦源，2、聚焦系统，3、第一平凹镜，4、平面泵浦镜，5、增益介质，6、第二平凹镜，7、耦合输出镜，8、平面高反镜，9、氧化石墨烯可饱和吸收体，10、第三平凹镜。
具体实施方式
如图1所示，本发明的2μm 激光二极管泵浦的全固态Tm,Ho:LLF激光器，包括泵浦源1、增益介质5、聚焦系统2以及谐振腔。
泵浦源1为790nmLD。增益介质5采用尺寸为3mm*3*mm*8mm的Tm,Ho:LLF晶体，它的Tm3+浓度为5%，Ho3+浓度为0.5%，并且沿着其布鲁斯特角进行切割。本发明运行过程中需要对增益介质5进行冷却，方法为将增益介质5用铝箔包裹，紧密的安装在水冷铜块中，冷却水温度维持在11℃。通过ABCD矩阵模拟，得出增益介质5和可饱和吸收体上的光斑大小分别为188 μm和97 μm。
聚焦系统2设置在泵浦源1和增益介质5之间并用于将泵浦源1发出的发散光聚焦于增益介质5上。聚焦系统2由平行间隔分布的两块平凸透镜组成，两块平凸透镜的焦距均为75 mm。
谐振腔为X型并具有第一平凹镜3、第二平凹镜6、第三平凹镜10、平面高反镜8以及平面泵浦镜4。第二平凹镜6倾斜设置在增益介质5相背于聚焦系统2一侧的位置并可将增益介质5产生的激光反射至第三平凹镜10，平面高反镜8与第三平凹镜10相对设置，以使增益介质5产生的激光可经过第二平凹镜6、第三平凹镜10以及平面高反镜8的反射作用重新射入增益介质5中，在平面高反镜8和第三平凹镜10间的激光光路上还设有氧化石墨烯可饱和吸收体9；平面泵浦镜4倾斜设置在聚焦系统2和增益介质5之间并可将重新射入增益介质5中的激光反在贯穿增益介质5后反射至第一平凹镜3，谐振腔中还设有与第一平凹镜3相对并用于将经第一平凹镜3反射的激光发射输出的的耦合输出镜7。
第一平凹镜3、第二平凹镜6以及第三平凹镜10的曲率半径相同为300 mm，并且在激光波长处涂抹高反射层，在泵浦波长处涂抹抗反射层。平面高反镜8为对1800～2050nm波段反射率大于99.9%的平面反射镜。泵浦镜45°分布，其对泵浦光的反射率≈0，对震荡光的反射率≈1。分别使用3%、5%和9%的耦合输出镜7来进行对比。根据上述腔镜的选择，利用激光腔模ABCD矩阵模拟振荡光斑，当腔长为2.82 m时晶体中最小光斑半径为110 μm，抽运光斑与振荡光斑大小比约为0.5，此时激光输出的效率最高。
图2给出了连续光下激光平均输出功率随入射泵浦功率的变化图。在3%，5%和9%耦合输出镜7下的出光阈值分别为2.2 W，2.36 W和2.58 W，相对应的斜效率分别是5.58%，9.02%和10.75%，最高输出功率为938 mW，1520 mW和1785 mW。
图3给出了锁模输出功率随泵浦功率变化图。首先，选取透过率为3%和5%的耦合输出镜7，出光阈值与连续光相比增加到2.95 W和3.1 W，随着泵浦功率的提高，逐渐进入调Q锁模运转状态。在3%耦合输出镜7下的锁模阈值功率为5.43 W，此时的输出功率为69 mW。继续增加泵浦功率到20 W时的最大输出功率为500 mW，斜效率为2.93%。选择5%输出的耦合镜，当泵浦功率达到5.69 W时，实现了稳定的调Q锁模运转，此时的输出功率为115 mW。不断提高泵浦功率达到20 W时，最大的输出功率为706 mW，斜效率为4.32%。最后，选取透过率为9%的输出镜，激光器的阈值增加到3.54 W。当泵浦功率增加到7.26 W,输出功率为208 mW，获得稳定的调Q锁模运转。经过计算可饱和吸收体表面功率密度约为147.07 μJ/cm2在调Q锁模运转状态下的最高输出功率达到1.05 W且斜效率为6.47%。通过对比不同的输出镜下的激光运转状态，当输出镜为9%时，输出功率可以达到瓦级。
图4给出了锁模激光的光谱图。调Q锁模激光器的光谱通过光谱分析仪（AvaSpec-NIR256-2.5 TEC）进行测量。中心波长为1892 nm，调Q锁模操作的光谱半高宽为12 nm。
图5给出了稳定调Q锁模下10 ns和1 ms时间标度红的脉冲序列，可以看出调制深度接近于100%。
依据以上内容，获得了一种2μm 激光二极管泵浦的全固态Tm,Ho:LLF激光器。搭建了一种“X”型谐振腔的激光系统，并分别实现了Tm,Ho:LLF激光器的连续以及调Q锁模运转。Tm,Ho:LLF晶体的尺寸为3mm*3*mm*8mm，其中Tm3+浓度为5%，Ho3+浓度为0.5%，利用氧化石墨烯可饱和吸收体9在腔内进行损耗调制，在泵浦功率为20 W下，获得了中心波长1892 nm，最高输出功率1050 mW，重复频率53.19 MHz的调Q锁模。

Claims (8)

1.2μm 激光二极管泵浦的全固态Tm,Ho:LLF激光器，其特征在于：包括泵浦源（1）、增益介质（5）、聚焦系统（2）以及谐振腔；
泵浦源（1）为790nmLD，增益介质（5）为Tm,Ho:LLF晶体，聚焦系统（2）设置在泵浦源（1）和增益介质（5）之间并用于将泵浦源（1）发出的发散光聚焦于增益介质（5）上；
谐振腔为X型并具有第一平凹镜（3）、第二平凹镜（6）、第三平凹镜（10）、平面高反镜（8）以及平面泵浦镜（4）；第二平凹镜（6）倾斜设置在增益介质（5）相背于聚焦系统（2）一侧的位置并可将增益介质（5）产生的激光反射至第三平凹镜（10），平面高反镜（8）与第三平凹镜（10）相对设置，以使增益介质（5）产生的激光可经过第二平凹镜（6）、第三平凹镜（10）以及平面高反镜（8）的反射作用重新射入增益介质（5）中，在平面高反镜（8）和第三平凹镜（10）间的激光光路上还设有氧化石墨烯可饱和吸收体（9）；平面泵浦镜（4）倾斜设置在聚焦系统（2）和增益介质（5）之间并可将重新射入增益介质（5）中的激光反在贯穿增益介质（5）后反射至第一平凹镜（3），谐振腔中还设有与第一平凹镜（3）相对并用于将经第一平凹镜（3）反射的激光发射输出的的输出耦合镜（7）。
2.根据权利要求1所述的2μm 激光二极管泵浦的全固态Tm,Ho:LLF激光器，其特征在于：增益介质（5）的规格为3mm*3*mm*8mm，Tm3+浓度为5%，Ho3+浓度为0.5%，且增益介质（5）沿着其自身的布鲁斯特角进行切割。
3.根据权利要求1所述的2μm 激光二极管泵浦的全固态Tm,Ho:LLF激光器，其特征在于：增益介质（5）通过铝箔包括并紧密安装在水冷铜块中，冷却水的温度为11℃。
4.根据权利要求1所述的2μm 激光二极管泵浦的全固态Tm,Ho:LLF激光器，其特征在于：聚焦系统（2）包括平行间隔分布的两块平凸透镜，两块平凸透镜的焦距同为75mm。
5.根据权利要求1所述的2μm 激光二极管泵浦的全固态Tm,Ho:LLF激光器，其特征在于：第一平凹镜（3）、第二平凹镜（6）以及第三平凹镜（10）的曲率半径均为300mm，在第一平凹镜（3）、第二平凹镜（6）以及第三平凹镜（10）的激光波长处均涂设有高反射层，在第一平凹镜（3）、第二平凹镜（6）以及第三平凹镜（10）的泵浦波长处均涂设有抗反射层。
6.根据权利要求1所述的2μm 激光二极管泵浦的全固态Tm,Ho:LLF激光器，其特征在于：平面高反镜（8）为对1800～2050nm波段反射率大于99.9%的平面反射镜。
7.根据权利要求1所述的2μm 激光二极管泵浦的全固态Tm,Ho:LLF激光器，其特征在于：平面泵浦镜（4）对泵浦光的反射率≈0，对震荡光的反射率≈1。
8.根据权利要求1所述的2μm 激光二极管泵浦的全固态Tm,Ho:LLF激光器，其特征在于：谐振腔的长度为2.82m。
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