CN116632640A - 双波长泵浦的掺铒中红外固体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种双波长泵浦的掺铒中红外固体激光器，包括：激光增益介质、第一泵浦源及第二泵浦源，激光增益介质采用掺铒晶体；第一泵浦源向激光增益介质发射第一泵浦光，将激光增益介质的粒子从4I15/2能级激发至4I11/2能级；第二泵浦源向激光增益介质发射与第一泵浦光不同波长范围的第二泵浦光，将激光增益介质的粒子从4I13/2能级激发至4I9/2，4I9/2能级的粒子通过非辐射弛豫跃迁到4I11/2能级；其中，激光增益介质的粒子从4I11/2能级跃迁至4I13/2时，发射中红外激光。本发明可在相对较低浓度的掺Er3+增益介质中获得3μm中红外激光输出，并且通过对粒子数的循环利用实现转换效率的提高，具有转换效率高、热效应小的优势，具备实现更高功率和更大能量输出的潜力。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种双波长泵浦的掺铒中红外固体激光器。
背景技术
中红外3μm激光位于大气透过窗口和水分子的吸收谱峰，又处于热辐射能量的主要集中区，因其特殊优势，在自由空间通讯、激光医疗和科学研究等领域都有着重要应用。在通信方面，近红外1064nm和1550nm波段的光在恶劣天气条件下的大气透过率仅有0.5％，而中红外波段光的透过率可达10％，具有明显的优势；在医疗领域，中红外3μm激光在生物组织中的穿透深度只有几个微米，作为手术刀时伤口深度浅，使得手术创伤大为减小；另外，3μm中红外激光还可以作为光学参量振荡器的泵浦源，产生3～12μm更长波长的可调谐中红外激光。
通过Er3+离子掺杂的固体增益介质直接产生，是目前产生3μm中红外激光源最为简便的方式。在绝大多数基质材料中，Er3+离子中红外激光上能级寿命低于下能级，存在自终止的问题，通常需要较高的Er3+离子掺杂浓度，借助能量传递上转换效应(ETU)来减少激光下能级粒子数，克服自终止效应。然而高掺杂浓度将不可避免带来热效应的增加，限制激光功率或能量的进一步提升。级联近红外1.6μm波段激光发射虽然可以在较低掺杂浓度下实现中红外激光输出，但却牺牲了转换效率。因此，现有技术有待于进一步发展和完善。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何在相对较低掺杂浓度的增益介质中获得中红外激光输出，本发明提出一种双波长泵浦的掺铒中红外固体激光器。
根据本发明实施例的双波长泵浦的掺铒中红外固体激光器，其特征在于，包括：
激光增益介质，采用掺铒晶体；
第一泵浦源，用于向所述激光增益介质发射第一泵浦光，将所述激光增益介质的粒子从4I15/2能级激发至4I11/2能级；
第二泵浦源，用于向所述激光增益介质发射与所述第一泵浦光不同波长范围的第二泵浦光，将所述激光增益介质的粒子从4I13/2能级激发至4I9/2，4I9/2能级的粒子通过非辐射弛豫跃迁到4I11/2能级；
其中，所述激光增益介质的粒子从4I11/2能级跃迁至4I13/2时，发射中红外激光。
根据本发明的一些实施例，所述第一泵浦源为960-980nm波段半导体激光二极管，所述第二泵浦源为1.4-1.7μm波段半导体激光二极管。
在本发明的一些实施例中，所述第一泵浦源和所述激光增益介质之间设有第一光束整形系统，用于对所述第一泵浦光进行整形，所述第二泵浦源与所述激光增益介质之间设有第二光束整形系统，用于对所述第二泵浦光进行整形。
根据本发明的一些实施例，所述激光增益介质设于由高反镜和输出耦合镜构成的谐振腔内，所述高反镜镀有960-980nm波段增透膜，所述输出耦合镜镀有对1.4-1.7μm波段增透，对2.6-3.0μm部分透过的增透膜。
在本发明的一些实施例中，所述谐振腔的光路上游设有第一二向色镜，所述谐振腔的光路下游设有第二二向色镜和第三二向色镜。
根据本发明的一些实施例，所述第一二向色镜、所述第二二向色镜和所述第三二向色镜均以45度放置，其中，所述第一二向色镜对960-980nm波段增透、对1.4-1.7μm波段高反；所述第二二向色镜对1.4-1.7μm波段增透、对2.6-3.0μm波段高反；所述第三二向色镜为对1.4-1.7μm波段增透、对960-980nm波段高反。
在本发明的一些实施例中，所述激光增益介质的基质材料采用包括YAG、YAP、YSGG、GSGG、YGG、GGG氧化物系列，SrF2、CaF2、YLF、BYF氟化物系列以及Y2O3、Lu2O3倍半氧化物系列之一。
根据本发明的一些实施例，所述激光增益介质的掺杂浓度为5％的掺铒铝酸钇晶体，尺寸为：2mm*4mm*10mm。
本发明具有如下有益效果：
与常规的使用单波长泵浦方式相比，本发明可在相对较低掺杂浓度的增益介质中获得中红外激光输出，具有实现更大单脉冲能量和更高功率输出的潜力；同时，借助于激光增益介质粒子从4I13/2能级向4I9/2能级之间的激发态吸收，实现了粒子数的循环利用，可提高激光器转换效率。
附图说明
图1为根据本发明实施例的双波长泵浦掺铒中红外固体激光器结构示意图；
图2为根据本发明实施例的Er3+离子能级结构及能量转移示意图。
附图标记：
激光器100，
激光增益介质10，第一泵浦源210，第二泵浦源220，第一光束整形系统310，第二光束整形系统320，高反镜40，输出耦合镜50，第一二向色镜610，第二二向色镜620，第三二向色镜630，
第一泵浦光S1，第二泵浦光S2，激光S3。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
本发明中说明书中对方法流程的描述及本发明说明书附图中流程图的步骤并非必须按步骤标号严格执行，方法步骤是可以改变执行顺序的。而且，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
本发明提出了一种双波长泵浦的掺铒中红外固体激光器，可在相对较低浓度的掺Er3+增益介质中获得3μm中红外激光输出，并且通过对粒子数的循环利用实现转换效率的提高。
如图1所示，根据本发明实施例的双波长泵浦的掺铒中红外固体激光器100，包括：激光增益介质10、第一泵浦源210和第二泵浦源220。
其中，激光增益介质10采用掺铒晶体。结合图1和图2所示，第一泵浦源210用于向激光增益介质10发射第一泵浦光S1，将激光增益介质10的粒子从4I15/2能级激发至4I11/2能级；第二泵浦源220用于向激光增益介质10发射与第一泵浦光S1不同波长范围的第二泵浦光S2，将激光增益介质10的粒子从4I13/2能级激发至4I9/2，4I9/2能级的粒子通过非辐射弛豫跃迁到4I11/2能级；
其中，激光增益介质10的粒子从4I11/2能级跃迁至4I13/2时，发射中红外激光S3。
根据本发明实施例的双波长泵浦的掺铒中红外固体激光器100，与常规的使用单波长泵浦方式相比，可在相对较低掺杂浓度的增益介质中获得中红外激光输出，具有实现更大单脉冲能量和更高功率输出的潜力；同时，借助于激光增益介质10粒子从4I13/2能级向4I9/2能级之间的激发态吸收，实现了粒子数的循环利用，可提高激光器100转换效率。
根据本发明的一些实施例，第一泵浦源210为960-980nm波段半导体激光二极管(LD)，第一泵浦源210的具体发射波长可以根据所选具体掺铒激光增益介质10的吸收峰来确定，将基态粒子激发至4I11/2中红外激光上能级。
第二泵浦源220为1.4-1.7μm波段半导体激光二极管(LD)，第二泵浦源220的具体发射波长根据所选具体掺铒激光增益介质10的激发态吸收峰来确定，将处于4I13/2激发态能级的粒子抽运至4I9/2能级。
在本发明的一些实施例中，如图1所示，第一泵浦源210和激光增益介质10之间设有第一光束整形系统310，用于对第一泵浦光S1进行整形。第一光束整形系统310为镀有960-980nm波段增透膜的透镜组，对第一泵浦光S1进行整形，使其以适当的光斑尺寸和发散角入射激光增益介质10。
如图1所示，第二泵浦源220与激光增益介质10之间设有第二光束整形系统320，用于对第二泵浦光S2进行整形。第二光束整形系统320为镀有1.4-1.7μm波段增透膜的透镜组，对第二泵浦光S2进行整形，使其以适当的光斑尺寸和发散角入射激光增益介质10。
根据本发明的一些实施例，如图1所示，激光增益介质10设于由高反镜40和输出耦合镜50构成的谐振腔内，高反镜40对960-980nm波段增透，对2.6-3.0μm全反；输出耦合镜50镀有对1.4-1.7μm波段增透，对2.6-3.0μm部分透过的增透膜，透过率的值约为10％。由此，可以使第一泵浦光S1和第二泵浦光S2顺利进入谐振腔，对激光增益介质10进行泵浦激励。
在本发明的一些实施例中，如图1所示，谐振腔的光路上游设有第一二向色镜610，谐振腔的光路下游设有第二二向色镜620和第三二向色镜630。
根据本发明的一些实施例，如图1所示，第一二向色镜610、第二二向色镜620和第三二向色镜630均以45度放置。其中，第一二向色镜610、第二二向色镜620和第三二向色镜630均朝向谐振腔的方向倾斜。
第一二向色镜610对960-980nm波段增透、对1.4-1.7μm波段高反，从而可以将未被增益介质完全吸收的剩余1.4-1.7μm泵浦光反射出主光路；第二二向色镜620对1.4-1.7μm波段增透、对2.6-3.0μm波段高反；第三二向色镜630为对1.4-1.7μm波段增透、对960-980nm波段高反，从而可以将未被增益介质完全吸收的剩余960-980nm泵浦光反射出主光路。
在本发明的一些实施例中，激光增益介质10的基质材料采用包括YAG、YAP、YSGG、GSGG、YGG、GGG氧化物系列，SrF2、CaF2、YLF、BYF氟化物系列以及Y2O3、Lu2O3倍半氧化物系列之一。
根据本发明的一些实施例，激光增益介质10的掺杂浓度为5％的掺铒铝酸钇晶体，尺寸为：2mm*4mm*10mm。
下面参照附图以一个具体的实施例详细描述根据本发明的双波长泵浦的掺铒中红外固体激光器100。可以理解的是，下述描述仅是示例性描述，而不应理解为对本发明的具体限制。
如图1所示，双波长泵浦的高效率掺铒中红外固体激光器100，其具体结构由两个波段的泵浦源及各自的光束整形系统、谐振腔、激光增益介质10、二向色镜组成。
具体地，第一泵浦源210发射中心波长为976nm的第一泵浦光S1，采用光纤耦合的方式进入第一光束整形系统310。第二泵浦源220发射中心波长为1.7μm第二泵浦光S2，采用光纤耦合方式进入第二光束整形系统320。
第一光束整形系统310镀有960-980nm波段的增透膜，第二光束整形系统320镀有1.4-1.7μm波段的增透膜。两束激光通过光束整形后，光束直径约为0.8mm。
第一二向色镜610镀有960-980nm波段的增透膜，1.4-1.7μm波段的高反膜；第二二向色镜620镀有1.4-1.7μm波段的增透膜，2.6-3.0μm波段的高反膜；第三二向色镜630镀有1.4-1.7μm波段的增透膜，960-980nm波段的高反膜。
高反镜40和输出耦合镜50均为平面镜，高反镜40镀有960-980nm波段增透膜，镀有2.6-3.0μm全反膜，输出耦合镜50镀有1.4-1.7μm波段的增透膜，对2.6-3.0μm镀有透过率约为10％的部分透过膜。
激光晶体采用掺杂浓度为5％的Er：YAP晶体，晶体采用b向切割的方式，由于YAP基质的各向异性，可直接实现线偏振光输出，晶体尺寸为：2mm*4mm*10mm。
如图2所示，Er3+离子能级结构及能量转移如图2所示，第一泵浦源210用于将Er3+从基态4I15/2激发到更高的态4I11/2。由于粒子数在4I13/2上积累时的寿命高，导致转换效率低，可以通过能量上转换效应(ETU)和第二泵浦源220的激发态吸收(ESA)减少粒子数在4I13/2积累。同时，利用4I9/2能级上的无辐射弛豫(NR)，进一步实现4I11/2和4I13/2能级之间的粒子数反转，实现粒子数的循环运用。
具体地，976nm的第一泵浦光S1从左至右依次通过第一光束整形系统310、第一二向色镜610、高反镜40进入到谐振腔内，在腔内将Er3+从基态4I15/2激发到4I11/2，并发射光子，使粒子在4I13/2上得到积累。
1.7μm的第二泵浦光S2从右至左依次通过第二光束整形系统320、第三二向色镜630、第二二向色镜620、输出耦合镜50进入到谐振腔内，在腔内利用激发态吸收(ESA)将4I13/2能级粒子激发到4I9/2，通过非辐射弛豫(NR)将4I9/2能级的粒子跃迁到4I11/2能级，使粒子在4I11/2上得到积累，随后发射光子。
双波长泵浦光在腔内振荡，通过输出耦合镜50后，实现2.9μm激光输出，经过第二二向色镜620反射后输出中红外激光S3。
综上所述，本发明提出的双波长泵浦中红外固体激光器100，具有转换效率高、热效应小的优势，具备实现更高功率和更大能量输出的潜力。可在相对较低浓度的掺Er3+增益介质中获得3μm中红外激光输出，并且通过对粒子数的循环利用实现转换效率的提高。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
Claims (8)
1.一种双波长泵浦的掺铒中红外固体激光器，其特征在于，包括：
激光增益介质，采用掺铒晶体；
第一泵浦源，用于向所述激光增益介质发射第一泵浦光，将所述激光增益介质的粒子从4I15/2能级激发至4I11/2能级；
第二泵浦源，用于向所述激光增益介质发射与所述第一泵浦光不同波长范围的第二泵浦光，将所述增益介质的粒子从4I13/2能级激发至4I9/2，4I9/2能级的粒子通过非辐射弛豫跃迁到4I11/2能级；
其中，所述激光增益介质的粒子从4I11/2能级跃迁至4I13/2时，发射中红外激光。
2.根据权利要求1所述的双波长泵浦的掺铒中红外固体激光器，其特征在于，所述第一泵浦源为960-980nm波段半导体激光二极管，所述第二泵浦源为1.4-1.7μm波段半导体激光二极管。
3.根据权利要求1所述的双波长泵浦的掺铒中红外固体激光器，其特征在于，所述第一泵浦源和所述激光增益介质之间设有第一光束整形系统，用于对所述第一泵浦光进行整形，所述第二泵浦源与所述激光增益介质之间设有第二光束整形系统，用于对所述第二泵浦光进行整形。
4.根据权利要求1所述的双波长泵浦的掺铒中红外固体激光器，其特征在于，所述激光增益介质设于由高反镜和输出耦合镜构成的谐振腔内，所述高反镜对960-980nm波段增透，对2.6-3.0μm全反；所述输出耦合镜对1.4-1.7μm波段增透，对2.6-3.0μm部分透过。
5.根据权利要求1所述的双波长泵浦的掺铒中红外固体激光器，其特征在于，所述谐振腔的光路上游设有第一二向色镜，所述谐振腔的光路下游设有第二二向色镜和第三二向色镜。
6.根据权利要求1所述的双波长泵浦的掺铒中红外固体激光器，其特征在于，所述第一二向色镜、所述第二二向色镜和所述第三二向色镜均以45度放置，其中，所述第一二向色镜对960-980nm波段增透、对1.4-1.7μm波段高反；所述第二二向色镜对1.4-1.7μm波段增透、对2.6-3.0μm波段高反；所述第三二向色镜为对1.4-1.7μm波段增透、对960-980nm波段高反。
7.根据权利要求1所述的双波长泵浦的掺铒中红外固体激光器，其特征在于，所述激光增益介质的基质材料采用包括YAG、YAP、YSGG、GSGG、YGG、GGG氧化物系列，SrF2、CaF2、YLF、BYF氟化物系列以及Y2O3、Lu2O3倍半氧化物系列之一。
8.根据权利要求7所述的双波长泵浦的掺铒中红外固体激光器，其特征在于，所述激光增益介质的掺杂浓度为5％的掺铒铝酸钇晶体，尺寸为：2mm*4mm*10mm。
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