CN112688146A - 一种1064nm腔内泵浦2.3μm掺铥固体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种1064nm腔内泵浦2.3μm掺铥固体激光器，包括输入镜、1064nm激光介质、中间镜、掺铥固体激光介质及输出镜。本发明利用1064nm激光介质产生1064nm激光，基于上转换泵浦机制泵浦谐振腔内放置的掺铥固体激光介质，产生2.3μm波段激光输出。通过合理镀膜，输入镜与输出镜组成1064nm激光谐振腔，而中间镜与输出镜组成2.3μm激光谐振腔，形成了1064nm腔内上转换泵浦的结构，充分利用了腔内激光功率密度高且光束质量好的特点，可提高掺铥固体激光介质对于1064nm泵浦激光的吸收。
Description
技术领域
本发明涉及固体激光技术领域，具体为一种1064nm腔内泵浦2.3μm掺铥固体激光器。
背景技术
2.3μm波段对应N2O(2.28μm)、CO(2.36μm)、CH4(2.37μm)等重要气体的吸收峰。N2O气体是人类排放的首要消耗臭氧层物质之一，能引起光化学烟雾，是主要的空气污染物之一。N2O还是一种温室效应气体，与CO2相比，虽然在大气中含量很低，但其单分子增温趋势却是CO2的298倍。CH4是天然气的主要成份，是一种爆炸性气体，国内针对其泄漏探测主要采用常规的1.6μm半导体激光器。CH4在2.3μm波段的吸收强度是1.6μm的3.5倍左右，因此泄漏探测时采用2.3μm激光将更容易探测且准确度更高。CO则是一种对血液与神经系统毒性很强的气体污染物，而2.3μm激光可以用于灵敏、快速、实时监测环境空气中的痕量CO气体。
根据掺铥激光介质的发射光谱，其3H4→3H5能级跃迁的中心波长在2.3μm波段。目前常规的方案是基于0.8μm波段激光泵浦掺铥激光介质产生2.3μm激光。该方案泵浦时激光介质会产生较高的热负荷，而且0.8μm激光泵浦下2.3μm激光跃迁与高增益1.9μm(3F4→3H6)跃迁存在着强烈的竞争。
发明内容
本发明的目的在于提供一种1064nm腔内泵浦2.3μm掺铥固体激光器，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1064nm腔内泵浦2.3μm掺铥固体激光器，所述激光器包括输入镜、1064nm激光介质、中间镜、掺铥固体激光介质和输出镜，所述输入镜、中间镜和输出镜位于同一轴线上，1064nm激光介质位于输入镜和中间镜之间，掺铥固体激光介质位于中间镜和输出镜之间。输入镜和输出镜组成1064nm激光谐振腔，激发光束通过输入镜进入1064nm激光谐振腔内，照射到1064nm激光介质上，激发出的光子束在谐振腔的增幅下持续穿透并激发掺铥固体激光介质。中间镜和输出镜组成了2.3μm激光谐振腔，激发出的2.3μm波长光子束在2.3μm激光谐振腔的反复谐振下光子数以指数形式增长，多数光子在谐振腔内继续增幅，小部分光子从输出镜以激光形式射出。
利用1064nm上转换泵浦掺铥介质实现2.3微米激光输出，其激光上能级粒子数布局涉及基态吸收与激发态吸收两个过程，可以有效克服传统0.8微米泵浦方案下3F4亚稳态能级的粒子数捕获效应，从而可以利用高掺杂掺铥介质实现2.3微米激光输出。
进一步的，输入镜镀有1064nm激光高反膜，所述中间镜镀有1064nm激光高透膜，所述输出镜镀有1064nm激光高反膜。从输入镜进入的初始泵浦光束照射到1064nm激光介质上使得其内部粒子从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1064nm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输入镜和输出镜上的高反膜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。
进一步的，中间镜镀有2.3μm激光高反膜，所述输出镜中心位置镀有2.3μm激光高透膜，外圈镀有2.3μm激光高反膜。1064nm激光介质激发态自发辐射的光子在输入镜和输出镜之间不断反射的过程中会激发掺铥固体激光介质，掺铥固体激光介质发出的沿腔轴线方向的光子在中间镜和输出镜之间不断反射，又激发更多的粒子自发辐射出光子，大量同波长同初相位的光汇聚成激光，由于输出镜上外圈95％的面积都镀有2.3μm激光高反膜，只有中心位置5％的面积镀有2.3μm激光高透膜，谐振腔内多数的光子继续来回反射积蓄能量，5％的光子以激光形式射出用作工业用途。
进一步的，所述1064nm激光介质为Nd掺杂固体激光介质。Nd掺杂固体激光介质产生1064nm激光对应4F3/2-4I11/2跃迁，具有受激发射截面大、量子效率高、四能级运转等优势。
进一步的，所述掺铥固体激光介质的泵浦方式为腔内泵浦。1064nm泵浦时由于其对应的基态吸收过程为非共振吸收过程，吸收率较低，但本发明用腔内泵浦的方案，将掺铥介质置于1064nm激光谐振腔中，可以充分利用腔内1064nm高功率密度的优势。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：采用1064nm腔内泵浦的方式，充分利用了腔内激光功率密度高且光束质量好的特点，可提高掺铥固体激光介质对于1064nm泵浦激光的吸收。利用价格较低且技术成熟的1064nm激光器腔内泵浦掺铥固体激光介质产生2.3μm激光具有结构紧凑、成本低等优点，同时相对于传统的0.8微米半导体激光器泵浦的方案，高光束质量的1064nm激光上转换泵浦降低了2.3μm激光产生过程的量子亏损，降低了掺铥固体激光介质内部的热负载，有利于改善3H4→3H5跃迁与3F4→3H6竞争效应，实现2.3μm激光的高效率输出。
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；
图中：1-输入镜、2-1064nm激光介质、3-中间镜、4-掺铥固体激光介质、5-输出镜。
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，本发明提供技术方案：
如图1所示，一种1064nm腔内泵浦2.3μm掺铥固体激光器，所述激光器包括输入镜1、1064nm激光介质2、中间镜3、掺铥固体激光介质4和输出镜5，所述输入镜1、中间镜3和输出镜5位于同一轴线上，1064nm激光介质2位于输入镜1和中间镜3之间，掺铥固体激光介质位于中间镜3和输出镜5之间。输入镜1和输出镜5组成1064nm激光谐振腔，激发光束通过输入镜进入1064nm激光谐振腔内，照射到1064nm激光介质2上，激发出的光子束在谐振腔的增幅下持续穿透并激发掺铥固体激光介质4。中间镜3和输出镜5组成了2.3μm激光谐振腔，激发出的2.3μm波长光子束在2.3μm激光谐振腔的反复谐振下光子数以指数形式增长，多数光子在谐振腔内继续增幅，小部分光子从输出镜5以激光形式射出。
利用1064nm上转换泵浦掺铥介质实现2.3微米激光输出，其激光上能级粒子数布局涉及基态吸收与激发态吸收两个过程，可以有效克服传统0.8微米泵浦方案下3F4亚稳态能级的粒子数捕获效应，从而可以利用高掺杂掺铥介质实现2.3微米激光输出。
如图1所示，输入镜1镀有1064nm激光高反膜，所述中间镜3镀有1064nm激光高透膜，所述输出镜5镀有1064nm激光高反膜。从输入镜1进入的初始泵浦光束照射到1064nm激光介质2上使得其内部粒子从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1064nm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输入镜和输出镜上的高反膜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。
如图1所示，中间镜3镀有2.3μm激光高反膜，所述输出镜5中心位置镀有2.3μm激光高透膜，外圈镀有2.3μm激光高反膜。1064nm激光介质2激发态自发辐射的光子在输入镜1和输出镜5之间不断反射的过程中会激发掺铥固体激光介质4，掺铥固体激光介质4发出的沿腔轴线方向的光子在中间镜3和输出镜5之间不断反射，又激发更多的粒子自发辐射出光子，大量同波长同初相位的光汇聚成激光，由于输出镜5上外圈95％的面积都镀有2.3μm激光高反膜，只有中心位置5％的面积镀有2.3μm激光高透膜，谐振腔内多数的光子继续来回反射积蓄能量，5％的光子以激光形式射出用作工业用途。
如图1所示，所述1064nm激光介质2为Nd掺杂固体激光介质。Nd掺杂固体激光介质产生1064nm激光对应4F3/2-4I11/2跃迁，具有受激发射截面大、量子效率高、四能级运转等优势。
如图1所示，所述掺铥固体激光介质4的泵浦方式为腔内泵浦。1064nm泵浦时由于其对应的基态吸收过程为非共振吸收过程，吸收率较低，但本发明用腔内泵浦的方案，将掺铥介质置于1064nm激光谐振腔中，可以充分利用腔内1064nm高功率密度的优势。
本发明的工作原理：从输入镜1进入的初始泵浦光束照射到1064nm激光介质2上，1064nm激光介质2受激辐射出光子，沿腔轴线方向的光子在输入镜1和输出镜5间来回反射，继续激发1064nm激光介质2使其辐射出更多的光子，众多光子汇聚成1064nm激光，该激光在1064nm激光谐振腔内反复穿过掺铥固体激光介质4，掺铥固体激光介质4受激辐射出2.3μm激光，2.3μm激光在中间镜3和输出镜5间来回反射，掺铥固体激光介质4中更多的粒子受激辐射出光子，多数的2.3μm激光在中间镜3和输出镜5间继续来回反射增幅能量，少数的2.3μm激光通过输出镜5中心的2.3μm激光高透膜射出作为工作介质来使用。
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 (5)
1.一种1064nm腔内泵浦2.3μm掺铥固体激光器，其特征在于：所述激光器包括输入镜(1)、1064nm激光介质(2)、中间镜(3)、掺铥固体激光介质(4)和输出镜(5)，所述输入镜(1)、中间镜(3)和输出镜(5)位于同一轴线上，1064nm激光介质(2)位于输入镜(1)和中间镜(3)之间，掺铥固体激光介质(4)位于中间镜(3)和输出镜(5)之间。
2.根据权利要求1所述的一种1064nm腔内泵浦2.3μm掺铥固体激光器，其特征在于：所述输入镜(1)镀有1064nm激光高反膜，所述中间镜(3)镀有1064nm激光高透膜，所述输出镜(5)镀有1064nm激光高反膜。
3.根据权利要求1所述的一种1064nm腔内泵浦2.3μm掺铥固体激光器，其特征在于：所述中间镜(3)镀有2.3μm激光高反膜，所述输出镜(5)中心位置镀有2.3μm激光高透膜，外圈镀有2.3μm激光高反膜。
4.根据权利要求1所述的一种1064nm腔内泵浦2.3μm掺铥固体激光器，其特征在于：所述1064nm激光介质(2)为Nd掺杂固体激光介质。
5.根据权利要求1所述的一种1064nm腔内泵浦2.3μm掺铥固体激光器，其特征在于：所述掺铥固体激光介质(4)的泵浦方式为腔内泵浦。
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