CN116742463B - 一种双波长泵浦键合晶体的中红外激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明具体涉及一种双波长泵浦键合晶体的中红外激光器，具体包括第一泵浦源、输入镜、键合晶体、输出镜、平凹镜和第二泵浦源，键合晶体包括第一晶体和第二晶体，第一晶体和第二晶体集成在一起且依次排列，第一晶体和第二晶体都掺杂饵离子，第一泵浦源发射的泵浦光经输入镜入射至键合晶体内，第二泵浦源发射的泵浦光经输出镜入射至键合晶体内，输入镜和输出镜组成3μm波段激光谐振腔产生3μm波段激光，3μm波段激光经输出镜入射至平凹镜，所述谐振腔内镀膜；通过键合晶体替代传统晶体，实现集成化，减小了激光器体积，掺杂不同浓度的键合晶体可以有效的降低键合晶体在泵浦过程中产生的温度，减少由端面变形带来的热透镜效应。

Description

一种双波长泵浦键合晶体的中红外激光器
技术领域
本发明涉及中红外激光技术领域，具体涉及一种双波长泵浦键合晶体的中红外激光器。
背景技术
目前3微米波段的激光处于大气窗口的高透过区，对大气的穿透性强，传输过程损耗小，在激光制导、遥感测控、光电对抗等军事领域有着重要的应用。该波段中红外激光器被广泛应用于生物医疗，环境监测，激光雷达，遥感探测和太空科研等领域中，现有技术中为单波长泵浦产生3um波段激光器装置，是由976nm半导体泵浦源激光器发出的泵浦光将基态铒离子抽运到2.8μm激光上能级上由光纤端帽15输出2.8μm激光。这种方式中由于铒离子在2.8μm波段的中红外激光跃迁的下能级寿命比上能级寿命大，不利于激光发射过程中保持足够的反转粒子数，当粒子反转数达不到一定程度时激光能级跃迁就会自终止，且普通激光的工作物质在泵浦功率提供的同时会对晶体产生热透镜效应，严重的热效应还会使激光晶体断裂。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的缺陷，从而提供一种双波长泵浦键合晶体的中红外激光器。
一种双波长泵浦键合晶体的中红外激光器，包括：第一泵浦源、输入镜 、键合晶体、输出镜、平凹镜和第二泵浦源，第一泵浦源和第二泵浦源发射不同波长的泵浦光；
所述键合晶体包括第一晶体和第二晶体，第一晶体和第二晶体集成在一起且依次排列，第一晶体和第二晶体都掺杂饵离子，第一泵浦源发射的泵浦光经输入镜 入射至键合晶体内，第二泵浦源发射的泵浦光经输出镜入射至键合晶体内，输入镜 和输出镜组成3μm波段激光谐振腔产生3μm波段激光，3μm波段激光经输出镜入射至平凹镜，所述谐振腔内镀膜；
所述第一晶体基于4I15/2→4I11/2的能级跃迁产生键合晶体的基态吸收，产生粒子数反转，同时将键合晶体中饵离子泵浦到4I11/2能级，实现该激光能级的粒子数的第一次布局；所述第二晶体利用4I13/2→4I9/2跃迁导致的激发态吸收，将4I13/2能级上的积聚的粒子抽运到4I9/2能级，实现粒子数的第二次布局。
进一步，所述第一晶体和第二晶体掺杂的饵离子浓度不同。
进一步，所述第一晶体掺杂的饵离子浓度小于第二晶体掺杂的饵离子浓度。
进一步，所述第一晶体掺杂的饵离子浓度为0.25at.%～1at.%，所述第二晶体掺杂的饵离子浓度50at.%。
进一步，所述第一泵浦源的中心波长为1.5μm，第二泵浦源的中心波长为976nm。
进一步，所述第一泵浦源和第二泵浦源都为半导体激光器。
进一步，所述键合晶体为YAG、YAP或YSGG。
进一步，所述输入镜 所镀膜系为HT1.5μm、HT976nm、HR1.6μm或HR2.94μm，所述输出镜所镀膜系为HR1.6μm或PT2.94μm。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明通过键合晶体替代传统晶体，实现集成化，减小了激光器体积，掺杂不同浓度的键合晶体可以有效的降低键合晶体在泵浦过程中产生的温度，减少由端面变形带来的热透镜效应，不但可以使键合晶体内部的光场，热场更为均匀，而且还能降低整块键合晶体端面温度以及中心温度，进而提升激光的输出功率、提高了光光转化效率、提高了抗损伤阈值、改善了激光的输出光束质量和缩小了体积，使双波长泵浦键合晶体具有更加稳定的激光输出。
2.本发明的技术方案中，由于铒离子具有独特的能级结构，当第一晶体输出1.5μm激光到第二晶体时，且第二晶体的为高掺杂浓度，相邻铒离子在第二晶体内的距离逐渐减小，能级转换过程逐渐增强，可有效抑制自终止效应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为激光器的结构示意图；
图2为饵离子能级跃迁图；
附图标记说明：
1-第一泵浦源；2-输入镜；3-键合晶体；
4-输出镜；5-平凹镜；6-第二泵浦源。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
请参阅图1和图2，一种双波长泵浦键合晶体的中红外激光器，包括：第一泵浦源1、输入镜 2、键合晶体3、输出镜4、平凹镜5和第二泵浦源6，第一泵浦源1和第二泵浦源6发射不同波长的泵浦光；输入镜 2、输出镜4和平凹镜5组成耦合透镜组，第一泵浦源1和第二泵浦源6分别位于耦合透镜组两侧，所述键合晶体3用于实现粒子数反转和光的受激发射，具体包括第一晶体和第二晶体，第一晶体和第二晶体集成在一起且依次排列，第一晶体和第二晶体都掺杂饵离子，键合晶体3位于输入镜 2和输出镜4之间，第一泵浦源1和第二泵浦源6发射的泵浦光经过耦合透镜组入射至键合晶体3中，第一泵浦源1发射的泵浦光经输入镜2入射至键合晶体3内，第二泵浦源6发射的泵浦光经输出镜4入射至键合晶体3内，输入镜 2和输出镜4组成3μm波段激光谐振腔产生3μm波段激光，3μm波段激光经输出镜4入射至平凹镜5，所述谐振腔内镀膜；
所述第一晶体基于4I15/2→4I11/2的能级跃迁产生键合晶体3的基态吸收，产生粒子数反转，同时将键合晶体3中饵离子泵浦到4I11/2能级，实现该激光能级的粒子数的第一次布局，实现1.5μm的激光输出；所述第二晶体利用4I13/2→4I9/2跃迁导致的激发态吸收，将4I13/2能级上的积聚的粒子抽运到4I9/2能级，实现粒子数的第二次布局，由于能级4I9/2态的寿命非常短（10μs），能级4I9/2上的粒子将通过多声子弛豫回到4I11/2能级，使得能级4I13/2上的粒子循环利用，可以使3μm激光辐射的斜率效率显著增加，本发明提出的双波长泵浦键合晶体方案可以为输出中红外激光器提出了另一种方法。
所述第一晶体和第二晶体掺杂的饵离子浓度不同。
所述第一晶体掺杂的饵离子浓度小于第二晶体掺杂的饵离子浓度。
所述第一晶体掺杂的饵离子浓度为0.25at.%～1at.%，附图中第一晶体掺杂的饵离子浓度选用0.5at.%，所述第二晶体掺杂的饵离子浓度50at.%，因为铒离子具有独特的能级结构，当第一晶体输出1.5μm激光到第二晶体时，由于第二晶体的为高掺杂浓度，相邻铒离子在第二晶体内的距离逐渐减小，能级转换过程逐渐增强，可有效抑制自终止效应，可以实现3μm激光输出。
所述第一泵浦源1的中心波长为1.5μm，第二泵浦源6的中心波长为976nm。
所述第一泵浦源1和第二泵浦源6都为半导体激光器，半导体激光器具有高效能、小型化、长寿命、快速响应和光谱范围广等优点，适用于本使用场景。
所述键合晶体3为YAG、YAP或YSGG，激光的输出特性由晶体材料的不同会略有不同。
所述输入镜 2所镀膜系为HT1.5μm、HT976nm、HR1.6μm或HR2.94μm，它的作用为对键合晶体双端泵浦光具有高透射率，同时对3μm波段具有高反射率，所述输出镜4所镀膜系为HR1.6μm或PT2.94μm，它的作用为对3μm波段激光具有部分反射率，从而实现3μm波段的激光输出。
与单个泵浦源的典型方案相比，本发明通过第二个1.5μm泵浦波长促进了掺铒离子的键合晶体3的激发态吸收，从而提高了有效泵浦速率和量子效率。实现3μm的中红外激光输出。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种双波长泵浦键合晶体的中红外激光器，其特征在于，包括：第一泵浦源(1)、输入镜(2)、键合晶体(3)、输出镜(4)、平凹镜(5)和第二泵浦源(6)，第一泵浦源(1)和第二泵浦源(6)发射不同波长的泵浦光；
所述键合晶体(3)包括第一晶体和第二晶体，第一晶体和第二晶体集成在一起且依次排列，第一晶体和第二晶体都掺杂饵离子，第一泵浦源(1)发射的泵浦光经输入镜(2)入射至键合晶体(3)内，第二泵浦源(6)发射的泵浦光经输出镜(4)入射至键合晶体(3)内，输入镜(2)和输出镜(4)组成3μm波段激光谐振腔产生3μm波段激光，3μm波段激光经输出镜(4)入射至平凹镜(5)，所述谐振腔内镀膜；
所述键合晶体(3)为YAG、YAP或YSGG；
所述第一晶体基于4I15/2→4I11/2的能级跃迁产生键合晶体(3)的基态吸收，产生粒子数反转，同时将键合晶体(3)中饵离子泵浦到4I11/2能级，实现该激光能级的粒子数的第一次布局；
所述第二晶体利用4I13/2→4I9/2跃迁导致的激发态吸收，将4I13/2能级上的积聚的粒子抽运到4I9/2能级，实现粒子数的第二次布局；
所述第一晶体和第二晶体掺杂的饵离子浓度不同；
所述第一晶体掺杂的饵离子浓度小于第二晶体掺杂的饵离子浓度；
所述第一晶体掺杂的饵离子浓度为0.25at.％～1at.％，所述第二晶体掺杂的饵离子浓度50at.％；
所述第一泵浦源(1)的中心波长为1.5μm，第二泵浦源(6)的中心波长为976nm。
2.根据权利要求1所述的中红外激光器，其特征在于，所述第一泵浦源(1)和第二泵浦源(6)都为半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的中红外激光器，其特征在于，所述输入镜(2)所镀膜系为HT1.5μm、HT976nm、HR1.6μm或HR2.94μm，所述输出镜(4)所镀膜系为HR1.6μm或PT2.94μm。
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