CN115693378A - 一种高效率产生2.3μm激光的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效率产生2.3μm激光的装置及方法，利用铥离子自身³F₄能级到³H₆能级产生的2μm激光受激辐射，加速³F₄能级粒子的转移，实现³H₄能级粒子数布局的有效调控，降低³F₄能级粒子数无效布局，减小与³F₄能级相关的能量损耗；由³F₄能级返回至³H₆能级时粒子可由泵浦过程反哺至³H₄能级，有效提高2.3μm激光跃迁的有效粒子数布局，同时，³H₄→³H₅产生的2.3μm激光与³F₄→³H₆产生的2μm激光，这两个跃迁过程对应的上下能级并不直接关联，因此可以减小竞争效应，实现双波长、多状态激光运转，可以增强激光产生过程的整体量子效率，降低激光介质中的热存积，改善热效应。

Description

一种高效率产生2.3μm激光的装置及方法

技术领域

本发明关于一种产生2.3μm激光的装置及方法，特别是有关于一种高效率产生2.3μm激光的装置及方法。

背景技术

2.3μm波段激光在环境科学、生物医疗、非线性激光变频等领域有独特且重要的应用前景。在环境和大气科学研究方面，2.3μm波段对应N₂O、CO、CH₄等有害气体的吸收峰，可以用作有害气体的检测。在生物医疗方面，2.3μm波段处于水的弱吸收区，对体液和软组织具有很强的穿透力，是理想的无创检测光源。同时，在非线性激光变频领域，2.3μm波段还可以作为OPO泵浦源。

目前常用的产生2.3μm激光方式是使用过渡金属离子Cr²⁺掺杂的II-IV族化合物材料(如Cr²⁺:ZnSe，Cr²⁺:ZnS)，但是该类激光器的发展一方面受限于晶体质量，难以产生高效率的2.3μm激光，另一方面缺少高性价比的1.5-2μm泵浦源，也使得该类激光器的成本较高。掺铥(Tm³⁺)的2.3μm激光可以使用目前成熟的商品化790nm半导体激光器(LD)直接泵浦，从而实现高性价比、LD抽运高效率2.3μm波段激光运转。并且掺Tm³⁺的2.3μm激光下能级远离基态，为四能级过程，不存在自终止效应的限制，无再吸收，且温度效应弱，可室温运转。另外，Tm³⁺离子在2.3μm波段的受激发射截面大，光谱特性优良。最后，掺Tm³⁺的2.3μm激光容易获得高质量激光材料。相对于Cr²⁺掺杂II-IV族硫化物激光介质，掺Tm³⁺激光材料制备工艺更加成熟可靠，基质种类更加丰富，为寻找光谱特性优良、热导率高、光学透过率高且物化性能稳定的掺Tm³⁺激光介质提供了更多可能。

早在1975年，J.Cair等人就已经在掺Tm³⁺的YAG和YAlO₃晶体中证明了Tm的2.3μm发射峰[IEEE J.Quantum Electron.,11,874-881(1975)]。1989年，R.Allen等人利用790nm的LD泵浦光泵浦掺杂Tm³⁺离子的ZBLAN光纤，首次输出了掺Tm³⁺的2.3μm激光，输出功率为1mW，对应的斜效率为10％[Appl.Phys.Lett.,55,721-722(1989)]。同年，J.Y.Allain等使用676nm的LD泵浦光泵浦掺Tm³⁺的ZBLAN光纤，获得了波长可调谐的2.3μm激光，输出功率为2.2mW，调谐范围为2.2～2.5μm[Electron.Lett.,25,1660-1662(1989)]。1994年，J.Pinto等人使用钛宝石激光器作为泵浦源，在Tm:YLF晶体介质中实现了0.22W的2.3μm激光，这也是首次实现掺Tm³⁺固体激光器的2.3μm激光输出[Opt.Lett.,19,883-885(1994)]。2022年，X.Yu等使用Tm:YVO₄晶体实现了1.89W的高功率2.3μm连续激光输出。

³F₄能级的粒子数积聚是Tm³⁺掺杂激光器实现2.3μm激光高效运转的难点之一。在790nm的LD泵浦下，Tm³⁺离子之间存在较强的³H₄→³F₄到³H₆→³F₄的交叉弛豫过程，加之³F₄能级寿命很长，会导致³F₄能级粒子数的大量积聚。³F₄能级的粒子数积聚会直接导致³H₄能级有效粒子数的减少，造成泵浦能量的严重损失。并且，³F₄能级粒子数积聚还会加剧与之相关的能量转移过程，引入新的损耗。因此，要得到高效率的2.3μm激光，需要探索减少³F₄能级粒子数积聚，有效提高³H₄能级粒子数布局的机制。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种高效率产生2.3μm激光的装置，包括：

泵浦光，该泵浦光的中心波长为790nm；

输入镜，该输入镜对该泵浦光具有高透过率，对2μm和2.3μm的激光均具有高反射率；

增益介质，该增益介质中掺Tm³⁺；

第一输出镜，该第一输出镜对2μm激光部分透过，同时对2.3μm激光具有高透过率，该输入镜与该第一输出镜组成2μm激光谐振腔；

第二输出镜，该第二输出镜对2.3μm激光部分透过，同时对2μm激光具有高透过率，该输入镜与该第二输出镜组成2.3μm激光谐振腔；

其中，Tm³⁺为铥离子，通过Tm³⁺中2μm激光的受激辐射跃迁，加快³H₄能级的粒子数转移，增强2.3μm激光从³H₄能级到³H₅能级跃迁时激光上能级粒子数的有效布局。

进一步地，该增益介质的基质为晶体或陶瓷。

进一步地，该输入镜采用JGS2、JGS3或者氟化钙基底，其中，JGS为光学石英玻璃。

进一步地，该第一输出镜采用JGS2、JGS3或者氟化钙基底，JGS为光学石英玻璃。

进一步地，该第二输出镜采用JGS2、JGS3或者氟化钙基底，JGS为光学石英玻璃。

进一步地，掺Tm³⁺激光器的速率方程模型如下：

N_i表示第i能级的粒子数密度，σ_a为泵浦光吸收截面，h表示普朗克常量，I_p和v_p分别为泵浦光的光强和频率，

和

分别为2.3μm和2μm激光的光子数密度，n₁为2.3μm激光增益介质的折射率，n₂为2μm激光增益介质的折射率，k_CR为交叉弛豫系数，β_i，j为从第i能级向第j能级的自发辐射跃迁的分支比，f_μ1和f_l1表示2.3μm激光的上下激光能级的玻尔兹曼布居数，f_μ2和f_l2表示2μm激光的上下激光能级的玻尔兹曼布居数；σ_e1代表2.3μm激光的受激发射截面；σ_e2表示2μm激光的受激发射截面，τ_i是指粒子在第i能级的寿命，τ_nr4表示第4能级的多声子弛豫时间，k_ETU为上转换系数，k_CR为交叉弛豫过程的特征参数，τ_c1为2.3μm激光的光子寿命，τ_c2为2μm激光的光子寿命。

进一步地，粒子在³H₄能级的寿命与掺Tm³⁺浓度和交叉弛豫过程的关系为：

k_CR为交叉弛豫过程的特征参数，N_Tm为掺Tm³⁺的浓度，τ₄为粒子³H₄能级的寿命，

为Tm³⁺低浓度掺杂时粒子在³H₄能级的寿命。

本发明另提供一种高效率产生2.3μm激光的方法，包括以下步骤：

S1：790nm泵浦光通过输入镜进入增益介质；

S2：通过增益介质的光通过第一输出镜进入第二输出镜；

S3：第二输出镜输出2.3μm激光；

其中，输入镜对该泵浦光具有高透过率，对2μm和2.3μm的激光均具有高反射率，增益介质中掺Tm³⁺，第一输出镜对2μm激光部分透过，同时对2.3μm激光具有高透过率，第二输出镜对2.3μm激光部分透过，同时对2μm激光具有高透过率。

进一步地，步骤S1中，790nm泵浦光通过空间耦合方式进入输入镜。

通过本发明提供一种高效率产生2.3μm激光的装置及方法，利用铥离子(Tm³⁺)中³F₄能级到³H₆能级产生的2μm激光受激辐射跃迁，加速³F₄能级粒子的转移，进而实现³H₄能级的粒子数布局的有效调控。一方面通过引入2μm波段激光受激辐射过程，有效降低³F₄能级粒子数无效布局，最大程度地减小与³F₄能级相关的能量转移损耗；另一方面，由³F₄能级返回至³H₆能级的粒子可由泵浦过程(³H₆→³H₄)反哺至³H₄能级，有效提高2.3μm激光跃迁的有效粒子数布局。更为重要的是，³H₄→³H₅产生的2.3μm激光与³F₄→³H₆产生的2μm激光，这两个跃迁过程对应的上下能级并不直接关联，因此可以减小竞争效应，实现双波长、多状态激光运转；双波长振荡的另一优点是可以增强激光产生过程的整体量子效率，降低激光介质中的热存积，改善热效应。本发明利用协同跃迁调控机制，提高掺Tm³⁺固体激光器的2.3μm激光的出光效率，并最终提供一种获得高效率2.3μm连续激光输出功率的方法。

附图说明

图1为本发明一种高效率产生2.3μm激光的装置示意图；

图2为铥离子能级跃迁示意图。

附图标记说明

1泵浦光 2输入镜 3增益介质

4第一输出镜 5第二输出镜 6 2.3μm激光

E1第1能级 E2第2能级

E3第3能级 E4第4能级。

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。

针对上述问题，本发明提供一种高效率产生2.3μm激光的装置，参见图1，图1为本发明一种高效率产生2.3μm激光的装置示意图，包括泵浦光1、输入镜2、增益介质3、第一输出镜4及第二输出镜5，泵浦光1的中心波长为790nm；输入镜2采用JGS2、JGS3或者氟化钙基底，并镀有对790nm泵浦光具有高透过率，对2μm和2.3μm激光均具有高反射率的膜系，其中，JGS为光学石英玻璃，因此输入镜2对泵浦光具有高透过率，对2μm和2.3μm的激光均具有高反射率；增益介质3中掺Tm³⁺，材质为晶体或陶瓷；第一输出镜4是2μm激光输出镜，采用JGS2、JGS3或者氟化钙基底，第一输出镜4的镀膜对2μm激光部分透过，同时对2.3μm激光具有高透过率，输入镜2与该第一输出镜4组成2μm激光谐振腔；第二输出镜5为2.3μm激光输出镜，采用JGS2、JGS3或氟化钙基底透镜，对2.3μm激光部分透过，对2μm激光具有高透过率，输入镜2与第二输出镜5组成2.3μm激光谐振腔；其中，Tm³⁺为铥离子，通过Tm³⁺离子中2μm激光的受激辐射跃迁，加快³H₄能级的粒子数转移，实现2.3μm激光从第4能级E4到第3能级E3的跃迁时激光上能级粒子数的有效布局。针对固体增益介质3，设计2μm激光谐振腔和2.3μm激光谐振腔的复合谐振腔结构，独立调控2μm激光和2.3μm激光的光子寿命，从而引入协同跃迁效应新的调控参量。参见图2，图2为铥离子能级跃迁示意图，³H₄能级到³H₅能级过程产生2.3μm激光，³F₄能级到³H₆能级的过程产生2μm激光，其中，第4能级E4为³H₄能级，第3能级E3为³H₅能级，第2能级E2为³F₄能级，第1能级E1为³H₆能级，第1能级E1也就是基态。

通过Tm³⁺中³F₄能级到³H₆能级的受激辐射跃迁产生2μm激光，加快³F₄能级的粒子数转移，再通过泵浦将³H₆能级粒子泵浦到³H₄能级，增强³H₄能级的到³H₅能级过程的跃迁时激光上能级粒子数的有效布局。因此，2μm激光的振荡和输出将同时促进2.3μm激光的高效输出。这两个跃迁过程对应的上下能级并不直接关联，可以减小竞争效应，实现多状态激光运转。双波长振荡还可以增强激光产生过程的整体量子效率，降低激光介质中的热存积，改善热效应。

进一步地，掺Tm³⁺激光器的速率方程模型如下：

上述公式考虑了协同跃迁效应、交叉弛豫过程(掺杂浓度相关)、多声子弛豫过程(基质相关)以及上转换过程，由此分析³F₄能级和³H₄能级的粒子数布局的动力学过程，其中，N_i表示第i能级的粒子数密度，i小于等于4，σ_a为泵浦光吸收截面，h表示普朗克常量，I_p和v_p分别为泵浦光的光强和频率，

和

分别为2.3μm和2μm激光的光子数密度，n1为2.3μm激光增益介质的折射率，n2为2μm激光增益介质的折射率，k_CR为交叉弛豫系数，β_ij为从第i能级向第j能级的自发辐射跃迁的分支比，j小于等于4，f_μ1和f_l1表示2.3μm激光的上下激光能级的玻尔兹曼布居数，f_μ2和f_l2表示2μm激光的上下激光能级的玻尔兹曼布居数；σ_e1代表2.3μm激光的受激发射截面；σ_e2表示2μm激光的受激发射截面，τ_i是指粒子在第i能级的寿命，τ_nr4表示第4能级的多声子弛豫时间，k_ETU为上转换系数，k_CR为交叉弛豫过程的特征参数，τ_c1为2.3μm激光的光子寿命，τ_c2为2μm激光的光子寿命。

从上述速率方程模型中可以清楚的看到协同跃迁过程导致的调控效应：引入2μm波段激光受激辐射过程，一方面可以降低³F₄能级粒子数布局；另一方面，由³F₄能级返回至基态的粒子可由泵浦过程(³H₆→³H₄)反哺至³H₄能级。

进一步地，粒子在³H₄能级的寿命与掺Tm³⁺浓度和交叉弛豫过程的关系为：

k_CR为交叉弛豫过程的特征参数，N_Tm为掺Tm³⁺的浓度，τ₄为粒子在³H₄能级的寿命，

为Tm³⁺低浓度掺杂时粒子在³H₄能级的寿命，低掺杂浓度下的³H₄能级荧光寿命可近似为辐射寿命，随着掺杂浓度的增加，交叉弛豫过程会导致能级寿命变短。

本发明另提供一种高效率产生2.3μm激光的方法，包括以下步骤：

S1：790nm泵浦光通过输入镜进入增益介质；

S2：通过增益介质的光通过第一输出镜进入第二输出镜；

S3：第二输出镜输出2.3μm激光；

其中，输入镜对该泵浦光具有高透过率，对2μm和2.3μm的激光均具有高反射率，增益介质中掺Tm³⁺，第一输出镜对2μm激光部分透过，同时对2.3μm激光具有高透过率，第二输出镜对2.3μm激光部分透过，同时对2μm激光具有高透过率。

进一步地，步骤S1中，790nm泵浦光通过空间耦合方式进入输入镜。

本发明提供一种高效率产生2.3μm激光的装置及方法，利用铥离子(Tm³⁺)自身³F₄能级到³H₆能级粒子跃迁时产生的2μm激光受激辐射过程，加速³F₄能级粒子的转移，实现³H₄能级的粒子数布局的有效调控，一方面通过引入2μm波段激光受激辐射过程，有效降低³F₄能级粒子数无效布局，最大程度地减小与³F₄能级相关的能量转移损耗；另一方面，由³F₄能级返回至³H₆能级的粒子可由泵浦过程(³H₆→³H₄)反哺至³H₄能级，有效提高2.3μm激光跃迁的有效粒子数布局。更为重要的是，³H₄→³H₅产生的2.3μm激光与³F₄→³H₆产生的2μm激光，这两个跃迁过程对应的上下能级并不直接关联，因此可以减小竞争效应，实现双波长、多状态激光运转，双波长振荡的另一优点是可以增强激光产生过程的整体量子效率，降低激光介质中的热存积，改善热效应，本发明利用协同跃迁调控机制，提高掺Tm³⁺固体激光器的2.3μm激光的出光效率，并最终提高掺Tm³⁺固体激光器2.3μm激光功率的方法。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种高效率产生2.3μm激光的装置，其特征在于，包括：

泵浦光，该泵浦光的中心波长为790nm；

输入镜，该输入镜对该泵浦光具有高透过率，对2μm和2.3μm的激光均具有高反射率；

增益介质，该增益介质中掺Tm³⁺；

第一输出镜，该第一输出镜对2μm激光部分透过，同时对2.3μm激光具有高透过率，该输入镜与该第一输出镜组成2μm激光谐振腔；

第二输出镜，该第二输出镜对2.3μm激光部分透过，同时对2μm激光具有高透过率，该输入镜与该第二输出镜组成2.3μm激光谐振腔；

其中，Tm³⁺为铥离子，通过Tm³⁺离子中2μm激光的受激辐射跃迁，加快³H₄能级的粒子数转移，增强2.3μm激光从³H₄能级到³H₅能级的跃迁时激光上能级粒子数的有效布局。

2.根据权利要求1所述的一种高效率产生2.3μm激光的装置，其特征在于，该增益介质的基质为晶体或陶瓷。

3.根据权利要求1所述的一种高效率产生2.3μm激光的装置，其特征在于，该输入镜采用JGS2、JGS3或者氟化钙基底，其中，JGS为光学石英玻璃。

4.根据权利要求1所述的一种高效率产生2.3μm激光的装置，其特征在于，该第一输出镜采用JGS2、JGS3或者氟化钙基底，JGS为光学石英玻璃。

5.根据权利要求1所述的一种高效率产生2.3μm激光的装置，其特征在于，该第二输出镜采用JGS2、JGS3或者氟化钙基底，JGS为光学石英玻璃。

6.根据权利要求1所述的一种高效率产生2.3μm激光的装置，其特征在于，掺Tm³⁺激光器的速率方程模型如下：

N_i表示第i能级的粒子数密度，σ_a为泵浦光吸收截面，h表示普朗克常量，I_p和v_p分别为泵浦光的光强和频率，

和

分别为2.3μm和2μm激光的光子数密度，n₁为2.3μm激光增益介质的折射率，n₂为2μm激光增益介质的折射率，k_CR为交叉弛豫系数，β_ij为从第i能级向第j能级的自发辐射跃迁的分支比，f_μ1和f_l1表示2.3μm激光的上下激光能级的玻尔兹曼布居数，f_μ2和f_l2表示2μm激光的上下激光能级的玻尔兹曼布居数；σ_e1代表2.3μm激光的受激发射截面；σ_e2表示2μm激光的受激发射截面，τ_i是指粒子在第i能级的寿命，τ_nr4表示³H₄能级的多声子弛豫时间，k_ETU为上转换系数，k_CR为交叉弛豫过程的特征参数，τ_c1为2.3μm激光的光子寿命，τ_c2为2μm激光的光子寿命。

7.根据权利要求6所述的一种高效率产生2.3μm激光的装置，其特征在于，粒子在³H₄能级的寿命与掺Tm³⁺浓度和交叉弛豫过程的关系为：

k_CR为交叉弛豫过程的特征参数，N_Tm为掺Tm³⁺的浓度，τ₄为粒子在³H₄能级的寿命，

为Tm³⁺低浓度掺杂时粒子在³H₄能级的寿命。

8.一种高效率产生2.3μm激光的方法，适用于权利要求1所述的一种高效率产生2.3μm激光的装置，包括以下步骤：

S1：790nm泵浦光通过输入镜进入增益介质；

S2：通过增益介质的光通过第一输出镜进入第二输出镜；

S3：第二输出镜输出2.3μm激光；

其中，输入镜对该泵浦光具有高透过率，对2μm和2.3μm的激光均具有高反射率，增益介质中掺Tm³⁺，第一输出镜对2μm激光部分透过，同时对2.3μm激光具有高透过率，第二输出镜对2.3μm激光部分透过，同时对2μm激光具有高透过率。

9.根据权利要求8所述的一种高效率产生2.3μm激光的方法，其特征在，步骤S1中，790nm泵浦光通过空间耦合方式进入输入镜。

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