CN116154597A - 高效率全固态中红外2μm和4μm双波长连续激光器 - Google Patents

高效率全固态中红外2μm和4μm双波长连续激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于线性方法的半导体激光器，具体涉及高效率全固态中红外2μm和4μm双波长连续激光器，用于解决虽然利用1.15μm激光器泵浦掺钬晶体获得2μm波段固体连续激光输出，以及利用3μm波段连续激光泵浦掺铁硒化锌晶体获得4μm波段固体连续激光输出，但该类激光器仅能获得2μm或4μm波段单一波长输出的不足之处。该高效率全固态中红外2μm和4μm双波长连续激光器包括谐振腔、低温恒温器、泵浦激光器、准直聚焦系统、激光增益介质；本发明首次提出利用高功率1μm波段激光泵浦钬铁共掺晶体实现2μm和4μm两个波长激光同时输出，在获得2μm激光输出的同时，可大幅提升4μm激光效率。

Description

高效率全固态中红外2μm和4μm双波长连续激光器
技术领域
本发明涉及基于线性方法的半导体激光器，具体涉及高效率全固态中红外2μm和4μm双波长连续激光器。
背景技术
中红外2～4μm波段连续激光光源在大气中透射能力强，并且对应物质辐射谱和一些气体分子的特征谱线，在民用领域大气监测/探测等领域有着广泛应用，近年来受到研究人员青睐，因此，发展高效率中红外2～4μm波段全固态连续激光器有着重要的科学意义和应用价值。
目前，中红外2～4μm波段固体连续激光的产生方法主要有基于粒子数反转的线性方法和基于非线性效应的非线性方法，其中非线性方法包括光学参量振荡、光学参量放大、和频及差频等，线性方法包括半导体量子级联激光器和红外泵浦的掺杂过渡金属铁离子的晶体材料等。非线性方法可以产生1.5μm和4μm的闲频光和信号光输出，但是在连续运转体制下，激光器输出功率稳定性较差，效率较低。在线性方法中，半导体激光器还存在光束质量较差、功率有限等问题，且只能实现单一波长输出。而利用掺铥光纤激光器泵浦掺钬晶体可以获得全固态高功率2μm激光输出，以及利用红外泵浦掺杂过渡金属铁离子的晶体材料产生4μm波段连续激光输出，该类技术具有光束质量好、效率高、波长可调谐、功率稳定性好、可定标放大、结构紧凑易于集成等优点，目前已有多篇文献报道利用1.15μm激光器泵浦掺钬晶体获得2μm波段固体连续激光输出，以及利用3μm波段连续激光泵浦掺铁硒化锌晶体获得4μm波段固体连续激光输出。2013年，Wang等人报道了利用1.15μm激光器泵浦Ho:LuLiF4晶体，获得了1.4W的2.07μm激光输出，斜率效率为29％(2013年第21卷《OpticsExpress》“Efficient Ho:LuLiF4 laser diode-pumped at 1.15μm”)。2018年，Pushkin等人采用2.8μm光纤激光器泵浦掺铁硒化锌晶体，在低温77K条件下获得了功率为2.1W的4μm波段连续激光输出，光光转换效率高达32％(2018年第43卷《Optics Letters》“Compact,highly efficient,2.1-W continuous-wave mid-infrared Fe:ZnSe coherent source,pumped by an Er:ZBLAN fiber laser”)，但是该类激光器也只能获得2μm或4μm波段单一波长输出。
发明内容
本发明的目的是解决虽然利用1.15μm激光器泵浦掺钬晶体获得2μm波段固体连续激光输出，以及利用3μm波段连续激光泵浦掺铁硒化锌晶体获得4μm波段固体连续激光输出，但该类激光器仅能获得2μm或4μm波段单一波长输出的不足之处，而提供一种高效率全固态中红外2μm和4μm双波长连续激光器。
为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：
一种高效率全固态中红外2μm和4μm双波长连续激光器，其特殊之处在于：包括谐振腔、低温恒温器，以及沿光路依次设置的泵浦激光器、准直聚焦系统、激光增益介质；
所述准直聚焦系统包括两个平凸透镜；
所述激光增益介质装载于所述低温恒温器中，
所述低温恒温器用于控制激光增益介质的温度，低温恒温器位于所述谐振腔内，低温恒温器上在与光路重合处设置有两个通光窗口；
所述谐振腔为线型谐振腔、三镜V型谐振腔和四镜X型谐振腔中的一种。
进一步地，所述泵浦激光器为波长在1100～1160nm范围内的激光器。
进一步地，所述激光增益介质为钬铁共掺晶体，钬离子掺杂浓度为0.5～5mol％，铁离子掺杂浓度为0.01～1mol％，基底材料为氟化钙、氟化镁、硒化锌、硫化锌、碲化锌和硒化镉中的一种。
进一步地，所述低温恒温器采用液氮制冷，低温恒温器的制冷温度为20～90K；所述通光窗口的材料为氟化钙、氟化镁、硒化锌中的一种，通光窗口上镀有介质膜A，介质膜A对于1100～1160nm、2μm波段和4μm波段的透过率≥95％。
进一步地，所述谐振腔为线型谐振腔，谐振腔包括沿光路依次设置的平凹全反腔镜和平平输出腔镜，所述激光增益介质位于平凹全反腔镜和平平输出腔镜之间；所述平凹全反腔镜激光入射面为平面，激光出射面为凹面，平凹全反腔镜上镀有介质膜B，介质膜B对于1100～1160nm的透过率≥95％，对2μm波段和4μm波段的反射率≥99％；所述平平输出腔镜上镀有介质膜C，介质膜C对于1100～1160nm的反射率≥95％，对于2μm波段的反射率为4～90％，对于4μm波段的反射率为10～90％。
进一步地，所述谐振腔为三镜V型谐振腔，谐振腔包括沿光路依次设置的平凹全反腔镜、平凹全反镜和平平输出腔镜，所述激光增益介质位于平凹全反腔镜和平凹全反镜之间；所述平凹全反腔镜激光入射面为平面，激光出射面为凹面，所述平凹全反镜激光入射面为凹面，平凹全反腔镜和平凹全反镜上镀有介质膜B，介质膜B对于1100～1160nm的透过率≥95％，对2μm波段和4μm波段的反射率≥99％；所述平平输出腔镜上镀有介质膜C，介质膜C对于1100～1160nm的反射率≥95％，对于2μm波段的反射率为4～90％，对于4μm波段的反射率为10～90％。
进一步地，所述谐振腔为四镜X型谐振腔，谐振腔包括平凹全反腔镜，平凹全反镜、平平全反镜和平平输出腔镜，所述激光增益介质位于平凹全反腔镜和平凹全反镜之间；所述平凹全反腔镜激光入射面为平面，激光出射面为凹面，所述平凹全反镜激光入射面为凹面；所述平平全反镜设置在平凹全反镜的反射光路上，所述平平输出腔镜设置在平凹全反腔镜的反射光路上；平凹全反腔镜，平凹全反镜、平平全反镜上镀有介质膜B，介质膜B对于1100～1160nm的透过率≥95％，对2μm波段和4μm波段的反射率≥99％；所述平平输出腔镜上镀有介质膜C，介质膜C对于1100～1160nm的反射率≥95％，对于2μm波段的反射率为4～90％，对于4μm波段的反射率为10～90％。
进一步地，所述谐振腔为线型谐振腔，谐振腔包括沿光路依次设置的双色镜、平平输出腔镜和平凹全反腔镜，所述激光增益介质位于平凹全反腔镜和平平输出腔镜之间；所述双色镜与光路之间的夹角为45°，所述平凹全反腔镜激光入射面为凹面，激光出射面为平面，平凹全反腔镜上镀有介质膜B，所述双色镜、介质膜B对于1100～1160nm的透过率≥95％，对2μm波段和4μm波段的反射率≥99％；所述平平输出腔镜上镀有介质膜C，介质膜C对于1100～1160nm的反射率≥95％，对于2μm波段的反射率为4～90％，对于4μm波段的反射率为10～90％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明高效率全固态中红外2μm和4μm双波长连续激光器，包括谐振腔、低温恒温器、泵浦激光器、准直聚焦系统、激光增益介质；本发明首次提出利用高功率1μm波段激光泵浦钬铁共掺晶体实现2μm和4μm两个波长激光同时输出，在获得2μm激光输出的同时，可大幅提升4μm激光效率。
(2)本发明高效率全固态中红外2μm和4μm双波长连续激光器，因采用线性方法，避免非线性效应复杂过程，同时泵浦源可采用1μm波段高功率、高光束质量光纤激光器，整个激光器具有结构简单、体积小巧、光束质量好、性能稳定可靠、可实现高功率输出等优点。
附图说明
图1为本发明高效率全固态中红外2μm和4μm双波长连续激光器实施例一的结构示意图；
图2为本发明实施例二的结构示意图；
图3为本发明实施例三的结构示意图；
图4为本发明实施例四的结构示意图；
图5为本发明实施例一的激光增益介质中钬离子和铁离子的能级简图。
附图标记说明如下：1-泵浦激光器；2-准直聚焦系统；3-平凹全反腔镜；4-通光窗口；5-激光增益介质；6-低温恒温器；7-平平输出腔镜；8-平凹全反镜；9-平平全反镜；10-双色镜；11-钬离子5I8能级；12-钬离子5I7能级；13-钬离子5I6能级；14-1150nm基态吸收过程；15-3μm受激辐射；16-2μm受激辐射；17-能量传递过程；18-铁离子5T2|3>能级；19-铁离子3μm基态吸收过程；20-铁离子5E|g>能级；21-无辐射弛豫过程；22-铁离子5T2|2>能级；23-4μm受激辐射；24-铁离子5E|1>能级。
具体实施方式
下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。
实施例一
参照图1，一种高效率全固态中红外2μm和4μm双波长连续激光器，包括谐振腔、低温恒温器6，以及沿光路依次设置的泵浦激光器1、准直聚焦系统2、激光增益介质5。
所述泵浦激光器1为波长在1150nm的激光器。
所述准直聚焦系统2包括两个焦距为50mm的平凸透镜。
所述激光增益介质5为钬铁共掺硒化锌晶体(Ho/Fe:ZnSe)，其中钬离子掺杂浓度为1.5mol％，铁离子掺杂浓度为0.1mol％，激光增益介质5装载在紫铜热沉上，并安装在低温恒温器6中。
所述低温恒温器6用于通过液氮制冷控制激光增益介质5的温度，低温恒温器6的制冷为78K；低温恒温器6位于所述谐振腔内，低温恒温器6上在与光路重合处设置有两个通光窗口4，通光窗口4上镀有介质膜A，介质膜A对于1100～1160nm、2μm波段和4μm波段的透过率≥95％。
所述谐振腔为线型谐振腔，谐振腔包括沿光路依次设置的平凹全反腔镜3和平平输出腔镜7；所述激光增益介质5位于平凹全反腔镜3和平平输出腔镜7之间；所述平凹全反腔镜3激光入射面为平面，激光出射面为凹面，平凹全反腔镜3上镀有介质膜B，介质膜B对于1100～1160nm的透过率≥95％，对2μm波段和4μm波段的反射率≥99％；所述平平输出腔镜7上镀有介质膜C，介质膜C对于1100～1160nm的反射率≥95％，对于2μm波段的反射率为4～90％，对于4μm波段的反射率为10～90％。
将低温恒温器6的温度控制设定为78K，待激光增益介质5温度达到设定温度后，开启泵浦激光器1，泵浦激光器1输出的1150nm泵浦光经准直聚焦系统2后，进入谐振腔中的激光增益介质5。
2μm和4μm双波长激光产生过程如图5所示，处于钬离子5I8能级11的钬离子通过1150nm基态吸收泵浦光过程14后，跃迁至上钬离子5I6能级13，处于该能级的钬离子向下跃迁至钬离子5I7能级12，并产生3μm受激辐射15，铁离子通过能量传递过程17吸收3μm受激辐射光子能量，从铁离子5E|g>能级20跃迁至铁离子5T2|3>能级18，并迅速通过无辐射弛豫过程21至铁离子5T2|2>能级22，处于铁离子5T2|2>能级22的铁离子向下跃迁至铁离子5E|1>能级24，产生4μm受激辐射23。处于钬离子5I7能级12的钬离子进一步向下跃迁至钬离子5I8能级11，并产生2μm受激辐射16，而产生2μm受激辐射16的这个过程有两个作用：一是消耗钬离子5I7能级12的粒子，有利于获得钬离子5I6能级13→钬离子5I7能级12跃迁粒子数反转，二是产生2μm受激辐射16，实现2μm波长激光输出。
当泵浦功率超过振荡阈值后，调节平凹全反腔镜3和平平输出腔镜7，实现谐振腔内的2μm和4μm双波长激光高效振荡，谐振腔内的激光经平平输出腔镜7输出，增加泵功率，2μm和4μm激光输出功率随之增加。
实施例二
参照图2，本实施例中所述泵浦激光器1为波长在1100nm的激光器。所述激光增益介质5为钬铁共掺硒化锌晶体(Ho/Fe:ZnSe)，其中钬离子掺杂浓度为0.5mol％，铁离子掺杂浓度为0.01mol％。所述低温恒温器6的制冷为90K。
将实施例一中的平平输出镜7和平凹全反镜3交换位置，所述平凹全反腔镜3激光入射面为凹面，激光出射面为平面；再在平平输出镜7和准直聚焦系统2之间放置一个双色镜10，双色镜10与光路之间的夹角为45°，双色镜10对1100～1160nm的透过率≥95％，对2μm波段和4μm波段的反射率≥99％，即采用后向泵浦方式，也可以获得2μm和4μm双波长激光输出。
本实施例其余设置均与实施例一一致。
实施例三
参照图3，本实施例中所述泵浦激光器1为波长在1160nm的激光器。所述激光增益介质5为钬铁共掺硒化锌晶体(Ho/Fe:ZnSe)，其中钬离子掺杂浓度为3mol％，铁离子掺杂浓度为0.5mol％。所述低温恒温器6的制冷为50K。
所述谐振腔为三镜V型谐振腔，谐振腔包括沿光路依次设置的平凹全反腔镜3、平凹全反镜8和平平输出腔镜7，所述激光增益介质5位于平凹全反腔镜3和平凹全反镜8之间；平凹全反腔镜3激光入射面为平面，激光出射面为凹面，所述平凹全反镜8激光入射面为凹面，平凹全反腔镜3和平凹全反镜8上镀有所述介质膜B；所述平平输出腔镜7上镀有所述介质膜C。
本实施例其余设置均与实施例一一致。
实施例四
参照图4，本实施例中所述泵浦激光器1为波长在1150nm的激光器。所述激光增益介质5为钬铁共掺硒化锌晶体(Ho/Fe:ZnSe)，其中钬离子掺杂浓度为5mol％，铁离子掺杂浓度为1mol％。所述低温恒温器6的制冷为20K。
所述谐振腔为四镜X型谐振腔，谐振腔包括平凹全反腔镜3，平凹全反镜8、平平全反镜9和平平输出腔镜7，所述激光增益介质5位于平凹全反腔镜3和平凹全反镜8之间；所述平平全反镜9设置在平凹全反镜8的反射光路上，所述平平输出腔镜7设置在平凹全反腔镜3的反射光路上；本实施例在实施例三基础上增加了平平全反镜9，平平全反镜9上镀有所述介质膜B。
本实施例其余设置均与实施例三一致。
在其他实施例中，本实施例的平平全反镜9可以换成光栅或可以在平平全反镜9前加入棱镜，即可实现激光波长可调谐输出，以及压窄激光线宽。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种高效率全固态中红外2μm和4μm双波长连续激光器，其特征在于：包括谐振腔、低温恒温器(6)，以及沿光路依次设置的泵浦激光器(1)、准直聚焦系统(2)、激光增益介质(5)；
所述准直聚焦系统(2)包括两个平凸透镜；
所述激光增益介质(5)装载于所述低温恒温器(6)中，
所述低温恒温器(6)用于控制激光增益介质(5)的温度，低温恒温器(6)位于所述谐振腔内，低温恒温器(6)上在与光路重合处设置有两个通光窗口(4)；
所述谐振腔为线型谐振腔、三镜V型谐振腔和四镜X型谐振腔中的一种。
2.根据权利要求1所述的高效率全固态中红外2μm和4μm双波长连续激光器，其特征在于：所述泵浦激光器(1)为波长在1100～1160nm范围内的激光器。
3.根据权利要求2所述的高效率全固态中红外2μm和4μm双波长连续激光器，其特征在于：所述激光增益介质(5)为钬铁共掺晶体，钬离子掺杂浓度为0.5～5mol％，铁离子掺杂浓度为0.01～1mol％，基底材料为氟化钙、氟化镁、硒化锌、硫化锌、碲化锌和硒化镉中的一种。
4.根据权利要求3所述的高效率全固态中红外2μm和4μm双波长连续激光器，其特征在于：所述低温恒温器(6)采用液氮制冷，低温恒温器(6)的制冷温度为20～90K；所述通光窗口(4)的材料为氟化钙、氟化镁、硒化锌中的一种，通光窗口(4)上镀有介质膜A，介质膜A对于1100～1160nm、2μm波段和4μm波段的透过率≥95％。
5.根据权利要求1至4任一所述的高效率全固态中红外2μm和4μm双波长连续激光器，其特征在于：所述谐振腔为线型谐振腔，谐振腔包括沿光路依次设置的平凹全反腔镜(3)和平平输出腔镜(7)，所述激光增益介质(5)位于平凹全反腔镜(3)和平平输出腔镜(7)之间；所述平凹全反腔镜(3)激光入射面为平面，激光出射面为凹面，平凹全反腔镜(3)上镀有介质膜B，介质膜B对于1100～1160nm的透过率≥95％，对2μm波段和4μm波段的反射率≥99％；所述平平输出腔镜(7)上镀有介质膜C，介质膜C对于1100～1160nm的反射率≥95％，对于2μm波段的反射率为4～90％，对于4μm波段的反射率为10～90％。
6.根据权利要求1至4任一所述的高效率全固态中红外2μm和4μm双波长连续激光器，其特征在于：所述谐振腔为三镜V型谐振腔，谐振腔包括沿光路依次设置的平凹全反腔镜(3)、平凹全反镜(8)和平平输出腔镜(7)，所述激光增益介质(5)位于平凹全反腔镜(3)和平凹全反镜(8)之间；所述平凹全反腔镜(3)激光入射面为平面，激光出射面为凹面，所述平凹全反镜(8)激光入射面为凹面，平凹全反腔镜(3)和平凹全反镜(8)上镀有介质膜B，介质膜B对于1100～1160nm的透过率≥95％，对2μm波段和4μm波段的反射率≥99％；所述平平输出腔镜(7)上镀有介质膜C，介质膜C对于1100～1160nm的反射率≥95％，对于2μm波段的反射率为4～90％，对于4μm波段的反射率为10～90％。
7.根据权利要求1至4任一所述的高效率全固态中红外2μm和4μm双波长连续激光器，其特征在于：所述谐振腔为四镜X型谐振腔，谐振腔包括平凹全反腔镜(3)，平凹全反镜(8)、平平全反镜(9)和平平输出腔镜(7)，所述激光增益介质(5)位于平凹全反腔镜(3)和平凹全反镜(8)之间；所述平凹全反腔镜(3)激光入射面为平面，激光出射面为凹面，所述平凹全反镜(8)激光入射面为凹面；所述平平全反镜(9)设置在平凹全反镜(8)的反射光路上，所述平平输出腔镜(7)设置在平凹全反腔镜(3)的反射光路上；平凹全反腔镜(3)，平凹全反镜(8)、平平全反镜(9)上镀有介质膜B，介质膜B对于1100～1160nm的透过率≥95％，对2μm波段和4μm波段的反射率≥99％；所述平平输出腔镜(7)上镀有介质膜C，介质膜C对于1100～1160nm的反射率≥95％，对于2μm波段的反射率为4～90％，对于4μm波段的反射率为10～90％。
8.根据权利要求1至4任一所述的高效率全固态中红外2μm和4μm双波长连续激光器，其特征在于：所述谐振腔为线型谐振腔，谐振腔包括沿光路依次设置的双色镜(10)、平平输出腔镜(7)和平凹全反腔镜(3)，所述激光增益介质(5)位于平凹全反腔镜(3)和平平输出腔镜(7)之间；所述双色镜(10)与光路之间的夹角为45°，所述平凹全反腔镜(3)激光入射面为凹面，激光出射面为平面，平凹全反腔镜(3)上镀有介质膜B，所述双色镜(10)、介质膜B对于1100～1160nm的透过率≥95％，对2μm波段和4μm波段的反射率≥99％；所述平平输出腔镜(7)上镀有介质膜C，介质膜C对于1100～1160nm的反射率≥95％，对于2μm波段的反射率为4～90％，对于4μm波段的反射率为10～90％。
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