CN210040868U - 一种近红外和中红外同时输出的可调谐激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种近红外和中红外同时输出的可调谐激光器，包括激光器，激光器包括半导体激光泵浦系统、基频激光腔和OPO倍频激光腔，OPO倍频激光腔，部分与基频激光腔共享光路的折叠型腔，光路中包含支臂信号光全反腔镜、BBO晶体、折叠腔镜、多周期PPLN晶体和信号光全反腔镜，折叠臂由折叠腔镜引出，其中折叠腔镜作为700‑900纳米近红外光的输出镜，信号光全反腔镜作为2.6‑4.2微米的中红外激光的输出镜。上述技术方案，结构设计合理、结构紧凑、制造成本低、调谐角度小、调谐方式简单、调谐范围宽、转换效率高、系统维护容易、使用方便且实用性好。
Description
技术领域
本实用新型涉及光电设备技术领域，具体涉及一种近红外和中红外同时输出的可调谐激光器。
背景技术
700-900纳米的近红外激光在光谱分析、微量气体探测、医学、环境监测、超冷原子物理研究以及量子通讯等众多高新技术领域都有重要应用。比如760纳米是氧原子A吸收带(谱带范围从758到770纳米)的峰值波长，而且这个吸收带的吸收率与周围大气的温度和压力密切相关。因此，该波段激光可用于微量氧气探测以及恶劣环境中温度和压力的远程探测。767和780纳米分别对应于钾和铷原子D2跃迁的吸收波长，该波长激光器在国际上已被广泛应用于激光冷却和陠获原子等凝聚态物理前沿领域研究中。因此，700-900纳米的近红外波段激光器可广泛应用于科学研究及工业等领域并具有广阔的市场前景。
目前，实现700-900纳米的近红外波段可调谐输出的主要方案是利用钛蓝宝石激光器，但是，由于高掺杂的Ti3+离子会对激光波长处的剩余吸收较大，通常使用较低掺杂浓度的钛蓝宝石作为激光晶体，这就对激光转换效率造成限制。再者，在受激辐射被放大的过程中，自发辐射也会不可避免地被放大，这就使得输出激光的信噪比较低。此外，该激光器的各类调谐方式均存在不足：无法兼顾输出波长调谐范围足够宽和线宽足够窄这两方面要求。例如：①利用单片的双折射滤光片进行调谐时，被调谐的线宽通常较宽，因此，通常使用多片的双折射滤光片进行调谐，但是，需要对各片的光轴法线、厚度和平行度进行严格控制，加工难度较大。②采用光栅调谐时虽然可以压缩线宽，但由于其插入损耗和二级以上的衍射损耗过大，导致无法实现连续运转。③单棱镜调谐虽然插入损耗较小，但是，其角色散不足，导致线宽较宽。而且，钛蓝宝石激光器一般采用高功率的532纳米波长的倍频固体激光器进行泵浦。
综上所述，目前钛蓝宝石激光器的系统较为复杂，体积大，使得成本非常高，系统维护难，使用不方便，实用性差。
实用新型内容
针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种结构设计合理、结构紧凑、制造成本低、调谐角度小、调谐方式简单、调谐范围宽、转换效率高、系统维护容易、使用方便且实用性好的近红外和中红外同时输出的可调谐激光器。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：一种近红外和中红外同时输出的可调谐激光器，包括激光器，其特征在于：所述激光器包括半导体激光泵浦系统、基频激光腔和OPO倍频激光腔，所述基频激光腔内设置有泵浦输入腔镜、掺钕离子激光材料晶体、折叠腔镜、多周期PPLN晶体和信号光全反腔镜；所述OPO倍频激光腔包括BBO晶体和支臂信号光全反腔镜，其中，所述半导体激光泵浦系统、泵浦输入腔镜、掺钕离子激光材料晶体、折叠腔镜、多周期PPLN晶体和信号光全反腔镜依次从左至右设置，所述折叠腔镜倾斜设置；所述BBO晶体和支臂信号光全反腔镜对准折叠腔镜设置。
本实用新型进一步设置为：所述泵浦输入腔镜、折叠腔镜和信号光全反腔镜均为平凹镜。
本实用新型还进一步设置为：多周期PPLN晶体包括七个极化周期，七个极化周期为：28.5微米、29微米、29.5微米、30微米、30.5微米、31微米和31.5微米，且多周期PPLN晶体处设置有一个温控炉，所述温控炉的控温范围为0-200℃，所述温控炉下端设置有一个调整架，通过调节调整架来移动多周期PPLN晶体。
本实用新型还进一步设置为：泵浦输入腔镜左端面镀制对半导体激光泵浦系统对应的输出的808纳米或880纳米泵浦光高透射的第一介质膜，泵浦输入腔镜的右端面镀制对808纳米或880纳米泵浦光高透射，同时对掺钕离子激光材料晶体产生1微米波段的基频光高反射的第二介质膜；所述折叠腔镜的左端面镀针对对应角度倾斜放置时对1微米波段的基频光和BBO晶体倍频产生的700-900纳米波段的倍频光增透射的第三介质膜，折叠腔镜的右端面镀对1微米波段的基频光和BBO晶体倍频产生的700-900纳米波段的倍频光增透射，同时对1.4到1.8微米的信号光高反射的第四介质膜；所述信号光全反腔镜的左端面镀对1微米波段的基频光和1.4到1.8微米的信号光高反射的第五介质膜；支臂信号光全反腔镜靠腔内的一面镀对1.4到1.8微米的信号光和700-900纳米波段的倍频光高反射的第六介质膜。
本实用新型还进一步设置为：所述折叠腔镜的右端面的第四介质膜、支臂信号光全反腔镜靠腔内的一面的第六介质膜的镀膜兼顾对2.6-4.2微米的闲频光高反射，信号光全反腔镜的左端面的第五介质膜兼顾对2.6-4.2微米的闲频光高透射，在由折叠腔镜输出700-900纳米的近红外可调谐激光同时，在信号光全反腔镜输出2.6-4.2微米的中红外激光，实现一台激光器同时实现700-900纳米的近红外和2.6-4.2微米的中红外激光的同时输出。
本实用新型还进一步设置为：所述掺钕离子激光材料晶体两端面均镀808纳米或880纳米泵浦光和1微米波段的基频光增透射的第一增透膜，多周期PPLN晶体两端面均镀对1微米波段的基频光和1.4到1.8微米的信号光增透射的第二增透膜，BBO晶体两端面均镀对1微米波段的基频光、1.4到1.8微米的信号光和700-900纳米波段的倍频光增透射的第三增透膜。
本实用新型还进一步设置为：所述泵浦输入腔镜的曲率半径为320mm，折叠腔镜为平平镜片，支臂信号光全反腔镜曲率半径为150mm，信号光全反腔镜的曲率半径为500mm。
本实用新型还进一步设置为：所述掺钕离子激光材料晶体为Nd:YVO4晶体、Nd:YAG晶体或Nd:GdVO4晶体。
本实用新型还进一步设置为：BBO晶体针对1.4到1.8微米波段信号光的倍频的相位匹配角度的模拟计算：当信号光波长为1.541微米时，匹配角度θ取得极小值19.84°；当信号光波长为1.4微米和1.8微米时，匹配角度θ分别为20.03°和20.35°；针对1.4-1.8微米波段信号光的倍频，将BBO角度微调0.51°，实现700-900纳米的近红外可调谐倍频光输出。
本实用新型还进一步设置为：所述半导体激光泵浦系统采用光纤耦合输出的808纳米或880纳米波段的半导体激光器作为泵浦源，输出激光经过耦合系统对泵浦光进行聚焦。
本实用新型还进一步设置为：所述半导体激光泵浦系统、泵浦输入腔镜、掺钕离子激光材料晶体、折叠腔镜、多周期PPLN晶体、信号光全反腔镜、BBO晶体和支臂信号光全反腔镜分别通过支架或连接件连接，且相邻两个元件之间留有间隙。
本实用新型的优点是：与目前常用的钛蓝宝石激光器相比，本实用新型结构设置更加合理，本实用新型通过OPO和倍频两次非线性频率变换过程实现近红外激光输出，可以有效避免剩余吸收过程和自发辐射放大，有效提高近红外激光的转换效率和信噪比。利用多周期PPLN晶体作为OPO的非线性晶体，通过温度和周期两种调谐方式可以实现1.4-1.8微米的信号光振荡，通过微调0.51°的BBO晶体角度便可实现700-900纳米的近红外可调谐输出。此外，本实用新型设计了折叠腔结构，提高了腔内模式匹配度，有利于获得高转换效率激光输出。具有结构紧凑、调谐角度小、调谐方式简单、调谐范围宽和转换效率高等特点。
下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。
附图说明
图1为本实用新型实施例的结构示意图；
图2为本实用新型实施例BBO晶体中不同信号光波长与对应倍频匹配角度的关系图。
具体实施方式
在本实施例的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等，其所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实用新型和简化描述，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，不能理解为对本实用新型的限制。此外，如出现术语“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。
参见图1和图2，本实用新型公开的一种近红外和中红外同时输出的可调谐激光器，包括激光器，所述激光器包括半导体激光泵浦系统1、基频激光腔和OPO倍频激光腔，所述基频激光腔内设置有泵浦输入腔镜2、掺钕离子激光材料晶体3、折叠腔镜4、多周期PPLN晶体5和信号光全反腔镜7；所述OPO倍频激光腔包括BBO晶体6和支臂信号光全反腔镜8，其中，所述半导体激光泵浦系统1、泵浦输入腔镜2、掺钕离子激光材料晶体3、折叠腔镜4、多周期PPLN晶体5和信号光全反腔镜7依次从左至右设置，所述折叠腔镜4倾斜设置；所述BBO晶体6和支臂信号光全反腔镜8对准折叠腔镜4设置。
作为优选的，所述折叠腔镜4的倾斜角度为：15°-90°。所述BBO晶体6为偏硼酸钡晶体，所述激光器内设置有光路折叠型腔，所述OPO倍频激光腔部分与基频激光腔共享光路折叠型腔，激光器的光路中包含支臂信号光全反腔镜8、BBO晶体6、折叠腔镜6、多周期PPLN晶体5和信号光全反腔镜7，由折叠腔镜4引出折叠臂，其中，折叠腔镜4作为倍频产生近红外光的输出镜；
半导体激光泵浦系统1输出的泵浦光泵浦掺钕离子激光材料晶体3产生1微米波段的基频光，在基频激光腔内振荡，通过多周期PPLN晶体5时发生光参量过程将部分基频光转换成信号光，结合多周期PPLN晶体5的周期及温度调节，实现1.4到1.8微米的信号光调谐；对应的信号光在OPO倍频激光腔内振荡，通过BBO晶体6时，结合BBO晶体6的角度微调，信号光将倍频转换成倍频光，并由折叠腔镜4输出，根据信号光在1.4到1.8微米范围内调谐，输出的倍频光波长在700-900纳米。
作为优选的，所述泵浦输入腔镜2、折叠腔镜4和信号光全反腔镜7均为平凹镜。可达到基频激光腔聚焦基频光斑的效果，同时实现基频激光腔和OPO倍频激光腔更好的腔模匹配。
作为优选的，多周期PPLN晶体5包括七个极化周期，七个极化周期为：28.5微米、29微米、29.5微米、30微米、30.5微米、31微米和31.5微米，且多周期PPLN晶体处设置有一个温控炉，所述温控炉的控温范围为0-200℃，可以获得1.4-1.8微米的信号光。所述温控炉下端设置有一个调整架，通过调节调整架来移动多周期PPLN晶体空间位置，使基频光在不同极化周期的PPLN晶体中实现参量过程实现周期调谐，通过温控炉来改变PPLN晶体的温度实现温度调谐。
为使本实用新型结构设置更加合理，作为优选的，本实施例泵浦输入腔镜2左端面镀制对半导体激光泵浦系统1对应的输出的808纳米或880纳米泵浦光高透射的第一介质膜，泵浦输入腔镜2的右端面镀制对808纳米或880纳米泵浦光高透射，同时对掺钕离子激光材料晶体3产生1微米波段的基频光高反射的第二介质膜；所述折叠腔镜4的左端面镀针对对应角度倾斜放置时对1微米波段的基频光和BBO晶体6倍频产生的700-900纳米波段的倍频光增透射的第三介质膜，折叠腔镜4的右端面镀对1微米波段的基频光和BBO晶体6倍频产生的700-900纳米波段的倍频光增透射，同时对1.4到1.8微米的信号光高反射的第四介质膜；所述信号光全反腔镜7的左端面镀对1微米波段的基频光和1.4到1.8微米的信号光高反射的第五介质膜；支臂信号光全反腔镜8靠腔内的一面镀对1.4到1.8微米的信号光和700-900纳米波段的倍频光高反射的第六介质膜。
为减少腔内激光通过晶体表面的反射损耗，腔内晶体均镀穿过晶体的激光波长增透射的膜系。掺钕离子激光材料晶体3两端面均镀808纳米或880纳米泵浦光和1微米波段的基频光增透射的第一增透膜，多周期PPLN晶体5两端面均镀对1微米波段的基频光和1.4到1.8微米的信号光增透射的第二增透膜，BBO晶体6两端面均镀对1微米波段的基频光、1.4到1.8微米的信号光和700-900纳米波段的倍频光增透射的第三增透膜。
为了实现对基频光的聚焦效果和基频光谐振腔和光参量振荡腔更好的模式匹配，泵浦输入腔镜2的曲率半径为320mm，折叠腔镜4为平平镜片，支臂信号光全反腔镜8曲率半径为150mm，信号光全反腔镜7的曲率半径为500mm。
作为优选的，所述掺钕离子激光材料晶体3为Nd:YVO4晶体、Nd:YAG晶体或Nd:GdVO4晶体。
以上的折叠腔镜4的右端面的第四介质膜、支臂信号光全反腔镜8靠腔内的一面的第六介质膜的镀膜兼顾对2.6-4.2微米的闲频光高反射，信号光全反腔镜7的左端面的第五介质膜兼顾对2.6-4.2微米的闲频光高透射，可望在由折叠腔镜4输出700-900纳米的近红外可调谐激光同时，在信号光全反腔镜7输出2.6-4.2微米的中红外激光，实现一台激光器同时实现700-900纳米的近红外和2.6-4.2微米的中红外激光的同时输出。
利用掺钕离子激光材料晶体的1微米波段激光驱动多周期极化的PPLN晶体，结合腔结构和腔镜镀膜设计，在激光腔内实现光参量振荡变频转换，获得1.4到1.8微米波段连续可调谐的信号光振荡，进一步选择对这个波长范围倍频角度非常敏感的非线性光学晶体作为倍频晶体，实现1.4到1.8微米波段激光倍频，实现700到900纳米的连续可调谐激光输出。我们通过对比很多非线性光学晶体，计算表明BBO晶体针对1.4到1.8微米波段的倍频对应的相位匹配角度在19.8-20.4°范围，为实现这么宽的调谐只需微调0.6°以内，较小的倾斜角度，有利于角度调谐时实现较小的反射损耗，从而保证700到900纳米的连续可调谐激光输出的功率和效率。
图2给出了BBO晶体针6对1.4到1.8微米波段信号光的倍频的相位匹配角度的模拟计算结构，结果表明匹配角度与信号光波长的关系成U型曲线。当信号光波长为1.541微米时，匹配角度θ取得极小值19.84°；当信号光波长为1.4和1.8微米时，匹配角度θ分别为20.03°和20.35°。因此，针对1.4-1.8微米波段信号光的倍频，只需要将BBO角度微调0.51°，即实现700-900纳米的近红外可调谐倍频光输出。
所述半导体激光泵浦系统1采用光纤耦合输出的808纳米或880纳米波段的半导体激光器作为泵浦源，输出激光经过耦合系统对泵浦光进行聚焦。
所述半导体激光泵浦系统1、泵浦输入腔镜2、掺钕离子激光材料晶体3、折叠腔镜4、多周期PPLN晶体5、信号光全反腔镜7、BBO晶体6和支臂信号光全反腔镜8分别通过支架或连接件连接，且相邻两个元件之间留有间隙。
实际应用时，半导体激光泵浦系统与普通的固体激光器的泵浦系统一样，采用光纤耦合输出的808纳米或880纳米等波段的半导体激光器作为泵浦源，输出激光经过耦合系统对泵浦光进行聚焦。所述基频激光腔的光路中包括泵浦输入腔镜、掺钕离子激光材料晶体、折叠腔镜、多周期PPLN晶体和信号光全反腔镜，其中折叠腔镜为倾斜放置，倾斜方向如图1示意图所示，角度影响不大。OPO倍频激光腔是部分与基频激光腔共享光路的折叠型腔，光路中包含支臂信号光全反腔镜、BBO晶体、折叠腔镜、多周期PPLN晶体和信号光全反腔镜，折叠臂由折叠腔镜引出，其中折叠腔镜作为倍频产生近红外光的输出镜。
本实用新型通过OPO和倍频两次非线性频率变换过程实现近红外激光输出，可以有效避免剩余吸收过程和自发辐射放大，有效提高近红外激光的转换效率和信噪比。利用多周期PPLN晶体作为OPO的非线性晶体，通过温度和周期两种调谐方式可以实现1.4-1.8微米的信号光振荡，通过微调0.51°的BBO晶体角度便可实现700-900纳米的近红外可调谐输出。此外，本实用新型设计了折叠腔结构，提高了腔内模式匹配度，有利于获得高转换效率激光输出。具有结构紧凑、调谐角度小、调谐方式简单、调谐范围宽和转换效率高等特点。
上述实施例对本实用新型的具体描述，只用于对本实用新型进行进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述实用新型的内容对本实用新型作出一些非本质的改进和调整均落入本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种近红外和中红外同时输出的可调谐激光器，包括激光器，其特征在于：所述激光器包括半导体激光泵浦系统(1)、基频激光腔和OPO倍频激光腔，所述基频激光腔内设置有泵浦输入腔镜(2)、掺钕离子激光材料晶体(3)、折叠腔镜(4)、多周期PPLN晶体(5)和信号光全反腔镜(7)；所述OPO倍频激光腔包括BBO晶体(6)和支臂信号光全反腔镜(8)，其中，所述半导体激光泵浦系统(1)、泵浦输入腔镜(2)、掺钕离子激光材料晶体(3)、折叠腔镜(4)、多周期PPLN晶体(5)和信号光全反腔镜(7)依次从左至右设置，所述折叠腔镜(4)倾斜设置；所述BBO晶体(6)和支臂信号光全反腔镜(8)对准折叠腔镜(4)设置。
2.根据权利要求1所述的一种近红外和中红外同时输出的可调谐激光器，其特征在于：所述泵浦输入腔镜(2)、折叠腔镜(4)和信号光全反腔镜(7)均为平凹镜。
3.根据权利要求1所述的一种近红外和中红外同时输出的可调谐激光器，其特征在于：多周期PPLN晶体(5)包括七个极化周期，七个极化周期为：28.5微米、29微米、29.5微米、30微米、30.5微米、31微米和31.5微米，且多周期PPLN晶体处设置有一个温控炉，所述温控炉的控温范围为0-200℃，所述温控炉下端设置有一个调整架，通过调节调整架来移动多周期PPLN晶体。
4.根据权利要求1所述的一种近红外和中红外同时输出的可调谐激光器，其特征在于：泵浦输入腔镜(2)左端面镀制对半导体激光泵浦系统(1)对应的输出的808纳米或880纳米泵浦光高透射的第一介质膜，泵浦输入腔镜(2)的右端面镀制对808纳米或880纳米泵浦光高透射，同时对掺钕离子激光材料晶体(3)产生1微米波段的基频光高反射的第二介质膜；所述折叠腔镜(4)的左端面镀针对对应角度倾斜放置时对1微米波段的基频光和BBO晶体(6)倍频产生的700-900纳米波段的倍频光增透射的第三介质膜，折叠腔镜(4)的右端面镀对1微米波段的基频光和BBO晶体(6)倍频产生的700-900纳米波段的倍频光增透射，同时对1.4到1.8微米的信号光高反射的第四介质膜；所述信号光全反腔镜(7)的左端面镀对1微米波段的基频光和1.4到1.8微米的信号光高反射的第五介质膜；支臂信号光全反腔镜(8)靠腔内的一面镀对1.4到1.8微米的信号光和700-900纳米波段的倍频光高反射的第六介质膜。
5.根据权利要求4所述的一种近红外和中红外同时输出的可调谐激光器，其特征在于：所述折叠腔镜(4)的右端面的第四介质膜、支臂信号光全反腔镜(8)靠腔内的一面的第六介质膜的镀膜兼顾对2.6-4.2微米的闲频光高反射，信号光全反腔镜(7)的左端面的第五介质膜兼顾对2.6-4.2微米的闲频光高透射，在由折叠腔镜(4)输出700-900纳米的近红外可调谐激光同时，在信号光全反腔镜(7)输出2.6-4.2微米的中红外激光，实现一台激光器同时实现700-900纳米的近红外和2.6-4.2微米的中红外激光的同时输出。
6.根据权利要求1或3所述的一种近红外和中红外同时输出的可调谐激光器，其特征在于：所述掺钕离子激光材料晶体(3)两端面均镀808纳米或880纳米泵浦光和1微米波段的基频光增透射的第一增透膜，多周期PPLN晶体(5)两端面均镀对1微米波段的基频光和1.4到1.8微米的信号光增透射的第二增透膜，BBO晶体两端面均镀对1微米波段的基频光、1.4到1.8微米的信号光和700-900纳米波段的倍频光增透射的第三增透膜。
7.根据权利要求2所述的一种近红外和中红外同时输出的可调谐激光器，其特征在于：所述泵浦输入腔镜(2)的曲率半径为320mm，折叠腔镜(4)为平平镜片，支臂信号光全反腔镜(8)曲率半径为150mm，信号光全反腔镜的曲率半径为500mm。
8.根据权利要求1所述的一种近红外和中红外同时输出的可调谐激光器，其特征在于：所述掺钕离子激光材料晶体(3)为Nd:YVO4晶体、Nd:YAG晶体或Nd:GdVO4晶体。
9.根据权利要求1所述的一种近红外和中红外同时输出的可调谐激光器，其特征在于：BBO晶体(6)针对1.4到1.8微米波段信号光的倍频的相位匹配角度的模拟计算：当信号光波长为1.541微米时，匹配角度θ取得极小值19.84°；当信号光波长为1.4微米和1.8微米时，匹配角度θ分别为20.03°和20.35°；针对1.4-1.8微米波段信号光的倍频，将BBO角度微调0.51°，实现700-900纳米的近红外可调谐倍频光输出。
10.根据权利要求1所述的一种近红外和中红外同时输出的可调谐激光器，其特征在于：所述半导体激光泵浦系统(1)采用光纤耦合输出的808纳米或880纳米波段的半导体激光器作为泵浦源，输出激光经过耦合系统对泵浦光进行聚焦；所述半导体激光泵浦系统(1)、泵浦输入腔镜(2)、掺钕离子激光材料晶体(3)、折叠腔镜(4)、多周期PPLN晶体(5)、信号光全反腔镜(7)、BBO晶体(6)和支臂信号光全反腔镜(8)分别通过支架或连接件连接，且相邻两个元件之间留有间隙。
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Cited By (2)
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| CN112504481A (zh) * | 2020-11-06 | 2021-03-16 | 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 | 单光子探测器及单光子探测方法 |
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2019
- 2019-06-17 CN CN201920905391.XU patent/CN210040868U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN112504481A (zh) * | 2020-11-06 | 2021-03-16 | 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 | 单光子探测器及单光子探测方法 |
| CN113451873A (zh) * | 2021-06-28 | 2021-09-28 | 长春理工大学 | 一种快速启动中红外激光器控制系统及相应的控制方法 |
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| GR01 | Patent grant |