CN112652936A - 一种1μm和2μm波段激光同时输出的激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种1μm和2μm波段激光同时输出的激光器，包括激光器泵浦源、输入镜、复合激光介质和输出镜，所述输入镜和输出镜组成激光谐振腔，复合激光介质放置在谐振腔内，所述激光器泵浦源放置于输入镜前。通过优化复合激光介质的长度，保证其对激光器泵浦光有足够的吸收，该复合激光介质在泵浦光的激发下产生俩种不同波长的光，在谐振腔内反复折射得到增强，实现1μm和2μm波段激光同时输出。

Description

一种1μm和2μm波段激光同时输出的激光器
技术领域
本发明涉及固体激光技术领域，具体为一种1μm和2μm波段激光同时输出的激光器。
背景技术
1μm和2μm波段的固体激光器有着各自的特点与应用领域，1μm激光在打标、切割、焊接等领域已经得到了广泛的应用，然而透明塑料对于1μm波段激光的吸收较小，通常需要在透明塑料中加入一些添加剂来提高对1μm激光的吸收。1μm波段激光可以用石英光纤传输，在医疗方面有很多重要应用，但是由于水对1μm波段的吸收系数较小，在有些外科手术中，1μm激光的穿透深度较深，损伤区域较大，手术精度不高。2μm波段激光处在大气窗口、水的强吸收带和人眼安全区，在透明塑性材料加工、大气环境监测、临床医学治疗、激光雷达、自由空间光通信等领域具有重要的应用。如塑料、玻璃等透明材料对2μm波段的激光具有较高的吸收能力，利用该波段的激光也可以直接完成对透明材料的加工。2μm激光组织穿透深度相对较深，适用于软组织切割(肿瘤、前列腺)、激光碎结石等，2μm激光因其优良的光热效应还具有良好的凝血效果。传统的激光器只能发射单一激光，只能针对单一激光的特性加以利用，往往无法实现最佳工作效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种1μm和2μm波段激光同时输出的激光器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种1μm和2μm波段激光同时输出的激光器，包括激光器泵浦源、输入镜、复合激光介质和输出镜，所述输入镜和输出镜组成激光谐振腔，复合激光介质放置在谐振腔内，所述激光器泵浦源放置于输入镜前。通过优化复合激光介质的长度，保证其对激光器泵浦光有足够的吸收，该复合激光介质在泵浦光的激发下产生俩种不同波长的光，在谐振腔内反复折射得到增强，实现1μm和2μm波段激光同时输出。
进一步的，激光器泵浦源为808nm半导体激光器。808nm半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成俩个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。半导体激光器具有体积小、重量轻和室温下可连续振荡等特点，在这里选择半导体激光器可以简化设备结构，提高工作效率。
进一步的，所述复合激光杂质由掺钕增益介质与掺铥增益介质复合而成。掺钕增益介质和掺铥增益介质的最大受激发射截面分别在1μm和2μm波段，使用这两种增益介质复合作为激光介质可以实现1μm和2μm波段激光同时输出。
进一步的，所述掺钕增益介质为掺钕钒酸盐或其倍半氧化物材料，掺铥增益介质为掺铥杂钒酸盐或其倍半氧化物材料。掺钕钒酸盐或其倍半氧化物材料和掺铥杂钒酸盐或其倍半氧化物材料在808nm附近均有较强的吸收，可以利用808nm半导体激光器泵浦复合激光介质，实现了单波长光源输入，双波长激光输出。
进一步的，输入镜镀有808nm波段激光高透膜，1μm和2μm波段激光高反膜，所述输出镜镀有1μm和2μm波段激光高反膜。输入镜镀有的808nm波段激光高透膜可以使得808nm半导体激光器产生的激光顺利通过输入镜进入谐振腔，808nm波段激光泵涌使复合激光介质内部粒子，使得其内部粒子从E1能量级被抽运到E3能量级，被抽运到E3的粒子很快通过无辐射跃迁转移到E2能量级，因为E3能量级的寿命只有10-9秒，不允许粒子久留，所以此过程很快。但E2能量级的亚稳态结构寿命较长，约为10-3秒，允许粒子久留，随着E1能量级上的粒子不断地被抽运到E3能量级，又很快转移到E2能量级，由于E2能量级允许粒子久留，粒子从E2能量级到E1能量级的自发辐射跃迁几率就很小，于是粒子就在E2能量级上积聚起来，从而实现了复合激光介质内E2能量级和E1能量级间粒子数的反转。
处于亚稳态级的粒子当自发的跃迁到低能量级时自发辐射光子，但这种发射是无规律的，光子会射向四面八方，诱发激发态的粒子产生光放大，但因介质体积有限，腔侧面又是敞开的，光子终将逸出腔外，只有沿腔轴方向的光子每当它碰到反射镜面时便被反射沿原路折回，又重新通过介质不断诱发激发态上的粒子产生受激辐射光放大。由于受激辐射光在腔镜间往返运行，介质被反复利用，腔轴方向受激辐射光就越来越强。输入镜和输出镜镀有的1μm和2μm波段激光高反膜保证了受激辐射光在谐振腔内可以被不断放大。
进一步的，输入镜为全反射镜面，输出镜为部分反射镜面。输入镜可以对1μm和2μm波段激光做到100％反射，输出镜可以做到对1μm和2μm波段激光95％反射。受激辐射光在谐振腔内被来回反射的过程中不断放大，95％的光在输出镜端被反射回去，5％的光从输出镜端激光输出通道射出，形成了能使用的激光。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明提出了一种808nm半导体激光器泵浦复合激光介质实现1μm和2μm波段激光同时输出的方案，该复合激光介质由掺钕钒酸盐或倍半氧化物材料与掺铥杂钒酸盐或倍半氧化物材料复合而成。通过优化掺钕增益介质及掺铥增益介质的长度，保证二者对808nm泵浦光均有足够的吸收，利用一台808nm半导体激光器直接泵浦复合激光介质，无需分光泵浦分立的增益介质。谐振腔输入镜及输出镜对1μm和2μm波段均有谐振作用，以实现1μm和2μm波段激光同时输出，简化了谐振腔的设计。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的结构简图；
图2是本发明的复合激光介质激发原理图。
图中：1-激光器泵浦源、2-输入镜、3-复合激光介质、31-掺钕增益介质、32-掺铥增益介质、4-输出镜、41-激光输出通道。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
请参阅图1-2，本发明提供技术方案：
如图1所示，一种1μm和2μm波段激光同时输出的激光器，包括激光器泵浦源1、输入镜2、复合激光介质3和输出镜4，所述输入镜2和输出镜4组成激光谐振腔，复合激光介质3放置在谐振腔内，所述激光器泵浦源1放置于输入镜2前。通过优化复合激光介质3的长度，保证其对激光器泵浦光有足够的吸收，该复合激光介质3在泵浦光的激发下产生俩种不同波长的光，在谐振腔内反复折射得到增强，实现1μm和2μm波段激光同时输出。
如图1所示，激光器泵浦源1为808nm半导体激光器。808nm半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成俩个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。半导体激光器具有体积小、重量轻和室温下可连续振荡等特点，在这里选择半导体激光器可以简化设备结构，提高工作效率。
如图1所示，所述复合激光杂质由掺钕增益介质31与掺铥增益介质32复合而成。掺钕增益介质31和掺铥增益介质32的最大受激发射截面分别在1μm和2μm波段，使用这两种增益介质复合作为激光介质可以实现1μm和2μm波段激光同时输出。
如图1所示，所述掺钕增益介质31为掺钕钒酸盐或其倍半氧化物材料，掺铥增益介质32为掺铥杂钒酸盐或其倍半氧化物材料。掺钕钒酸盐或其倍半氧化物材料和掺铥杂钒酸盐或其倍半氧化物材料在808nm附近均有较强的吸收，可以利用808nm半导体激光器泵浦复合激光介质3，实现了单波长光源输入，双波长激光输出。掺钕钒酸盐可选择Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:LuVO4等，其倍半氧化物材料可选择Nd:Y2O3、Nd:Lu2O3、Nd:Sc2O3等，掺铥杂钒酸盐可选择Tm:YVO4、Tm:GdVO4、Tm:LuVO4等，其倍半氧化物材料可选择Tm:Y2O3、Tm:Lu2O3、Tm:Sc2O3等。
如图1、2所示，输入镜2镀有808nm波段激光高透膜，1μm和2μm波段激光高反膜，所述输出镜4镀有1μm和2μm波段激光高反膜。输入镜2镀有的808nm波段激光高透膜可以使得808nm半导体激光器产生的激光顺利通过输入镜2进入谐振腔，808nm波段激光泵涌使复合激光介质3内部粒子，使得其内部粒子从E1能量级被抽运到E3能量级，被抽运到E3的粒子很快通过无辐射跃迁转移到E2能量级，因为E3能量级的寿命只有10-9秒，不允许粒子久留，所以此过程很快。但E2能量级的亚稳态结构寿命较长，约为10-3秒，允许粒子久留，随着E1能量级上的粒子不断地被抽运到E3能量级，又很快转移到E2能量级，由于E2能量级允许粒子久留，粒子从E2能量级到E1能量级的自发辐射跃迁几率就很小，于是粒子就在E2能量级上积聚起来，从而实现了复合激光介质3内E2能量级和E1能量级间粒子数的反转。
处于亚稳态级的粒子当自发的跃迁到低能量级时自发辐射光子，但这种发射是无规律的，光子会射向四面八方，诱发激发态的粒子产生光放大，但因介质体积有限，腔侧面又是敞开的，光子终将逸出腔外，只有沿腔轴方向的光子每当它碰到反射镜面时便被反射沿原路折回，又重新通过介质不断诱发激发态上的粒子产生受激辐射光放大。由于受激辐射光在腔镜间往返运行，介质被反复利用，腔轴方向受激辐射光就越来越强。输入镜2和输出镜4镀有的1μm和2μm波段激光高反膜保证了受激辐射光在谐振腔内可以被不断放大。
如图1所示，输入镜2为全反射镜面，输出镜4为部分反射镜面。输入镜2可以对1μm和2μm波段激光做到100％反射，输出镜4可以做到对1μm和2μm波段激光95％反射。受激辐射光在谐振腔内被来回反射的过程中不断放大，95％的光在输出镜4端被反射回去，5％的光从输出镜4端激光输出通道(41)射出，形成了能使用的激光。
本发明的工作原理：808nm半导体激光器发出波长为808nm的泵浦光，该泵浦光通过输入镜2进入谐振腔，使复合激光介质3高能级和低能级粒子数反转，复合激光介质3处于激发态，处于亚稳态级的粒子自发的跃迁到低能量级时自发辐射光子，光子射向四面八方，诱发激发态的粒子产生光放大，沿腔轴线方向的光子每当它碰到反射镜面时便被反射沿原路折回，又重新通过介质不断诱发激发态上的粒子产生受激辐射光放大。光子反复放大形成激光，多数激光在谐振腔内反射，少数激光穿过输出镜4射出用来实现工作目的。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种1μm和2μm波段激光同时输出的激光器，其特征在于：所述激光器包括激光器泵浦源(1)、输入镜(2)、复合激光介质(3)和输出镜(4)，所述输入镜(2)和输出镜(4)组成激光谐振腔，复合激光介质(3)放置在谐振腔内，所述激光器泵浦源(1)放置于输入镜(2)前。
2.根据权利要求1所述的一种1μm和2μm波段激光同时输出的激光器，其特征在于：所述激光器泵浦源(1)为808nm半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种1μm和2μm波段激光同时输出的激光器，其特征在于：所述复合激光介质(3)由掺钕增益介质(31)和掺铥增益介质(32)复合而成。
4.根据权利要求3所述的一种1μm和2μm波段激光同时输出的激光器，其特征在于：所述掺钕增益介质(31)为掺钕钒酸盐或其倍半氧化物材料，掺铥增益介质(32)为掺铥杂钒酸盐或其倍半氧化物材料。
5.根据权利要求1所述的一种1μm和2μm波段激光同时输出的激光器，其特征在于：所述输入镜(2)镀有808nm波段激光高透膜，1μm和2μm波段激光高反膜，所述输出镜(4)镀有1μm和2μm波段激光高反膜。
6.根据权利要求1所述的一种1μm和2μm波段激光同时输出的激光器，其特征在于：所述输入镜(2)为全反射镜面，输出镜(4)为部分反射镜面。
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