CN219163901U - 一种产生高效中红外涡旋激光的装置 - Google Patents

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张帅一
徐剑秋
蔡恩林
杨琦
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Abstract

本实用新型涉及一种产生高效中红外涡旋激光的装置，选取第一泵浦光为976nm的半导体激光泵浦源，并选取第二泵浦光为1660nm的半导体激光泵浦源，将第一泵浦光整形为环形泵浦光后经第一谐振腔镜进入掺Er3+激光介质，同时将第二泵浦光整形为环形泵浦光后经第二谐振腔镜进入掺Er3+激光介质，采用双波长泵浦和环形泵浦相结合的技术方案，有效减少中红外2.8μm激光下能级粒子数，获得高效率中红外2.8μm连续涡旋激光输出，解决目前中红外涡旋激光转换效率低的技术瓶颈。

Description

一种产生高效中红外涡旋激光的装置
技术领域
本实用新型关于一种激光装置，特别是有关于一种产生高效中红外涡旋激光的装置。
背景技术
中红外2.8μm激光处于水强吸收带内，并位于大气窗口，在激光医疗、红外追踪、光电对抗、激光雷达以及光学遥感探测等领域均有重要应用价值和前景，是目前急需发展的相干光源之一。涡旋光束是指等相位面呈螺旋形分布的光束，这种光束携带沿光束传播方向的轨道角动量，在量子信息、光学通信、光学操纵、非线性光学和量子纠缠等领域展示了非凡的应用潜力。
在众多2.8μm激活离子中(如Er3+、Ho3+、Dy3+等)，Er3+激光技术最成熟，应用最为广泛。但是目前掺Er3+全固态激光器最高连续输出功率仅为10.14W，从瓦级到十瓦级的跳跃用了十年时间，由此可见2.8μm激光的发展是比较缓慢的。这是由于Er3+2.8μm激光上下能级间隔较小，容易出现多声子弛豫，上能级粒子以声子为中介转移到激光下能级，这一过程不仅降低了激光的输出效率，同时也加剧了激光晶体的热效应。此外，2.8μm激光的高量子亏损所导致的严重热效应，容易引起激光光束劣变、晶体开裂等不利素，进一步限制了激光输出功率和效率。环形泵浦被认为是获得高质量涡旋光的有效方式，不需要额外的腔内选模元件和特制的输出耦合镜，具有结构紧凑、腔内损耗小、损伤阈值高等优点，有利于获得高效率的涡旋激光输出。
由于2.8μm激光技术发展滞后，加之涡旋固体激光技术的研究相对较晚，有关中红外波段涡旋固体激光技术的研究目前较少。如何高效便捷地产生高效率2.8μm涡旋激光仍然是一个重要的科学问题。
发明内容
针对上述问题，本实用新型提供一种产生高效中红外涡旋激光的装置，包括：
第一泵浦光，为976nm的半导体激光泵浦源；
第一环形整形件，设置于该第一泵浦光的光路之后，将该第一泵浦光整形为环形泵浦光；
第一谐振腔镜，设置于该第一环形整形件的光路之后；
激光介质，该第一环形整形件输出的环形泵浦光通过该第一谐振腔镜进入该激光介质；
第二泵浦光，为1660nm的半导体激光泵浦源；
第二环形整形件，设置于该第二泵浦光的光路之后，将该第二泵浦光整形为环形泵浦光；
第二谐振腔镜，设置于该第二环形整形件的光路之后，该第二环形整形件输出的环形泵浦光通过该第二谐振腔镜进入该激光介质；
谐振腔输出镜；
其中，该第一谐振腔镜、该第二谐振腔镜及谐振腔输出镜组成激光谐振腔，该第一泵浦光经该第一环形整形件后输出环形泵浦光，再经由该第一谐振腔镜进入该激光介质，同时该第二泵浦光经该第二环形整形件后输出环形泵浦光，再经由该第二谐振腔镜进入该激光介质，最后由该谐振腔输出镜输出。
进一步地，该第一环形整形件包括一第一准直透镜、一第一空心平面反射镜及一第一聚焦透镜。
进一步地，该第一空心平面反射镜成45°设置。
进一步地，该第二环形整形件包括一第二准直透镜、一第二空心平面反射镜及一第二聚焦透镜。
进一步地，该第二空心平面反射镜成45°设置。
进一步地，该第一环形整形件包括一第三聚焦透镜、一第一中空光纤、一第三准直透镜及一第四聚焦透镜。
进一步地，该第二环形整形件包括一第五聚焦透镜、一第二中空光纤、一第四准直透镜及一第六聚焦透镜。
进一步地，该激光介质为掺Er3+的倍半氧化物或氟化物晶体，且两端均镀有976nm、1660nm和2.8μm激光的增透膜。
进一步地，该激光谐振腔呈L型。
进一步地，谐振腔输出镜镀有2.8μm激光的部分透射膜。
通过本实用新型提供的一种产生高效中红外涡旋激光的装置，选取第一泵浦光为976nm的半导体激光泵浦源，并选取第二泵浦光为1660nm的半导体激光泵浦源，将第一泵浦光整形为环形泵浦光后经第一谐振腔镜进入掺Er3+激光介质，同时将第二泵浦光整形为环形泵浦光后经第二谐振腔镜进入掺Er3+激光介质，采用双波长泵浦和环形泵浦相结合的技术方案，有效减少中红外2.8μm激光下能级粒子数，获得高效率中红外2.8μm连续涡旋激光输出，解决目前中红外涡旋激光转换效率低的技术瓶颈。
附图说明
图1为Er3+能级简图；
图2为本实用新型一种产生高效中红外涡旋激光的装置示意图；
图3为本实用新型一种产生高效中红外涡旋激光的装置第一实施例示意图；
图4为本实用新型一种产生高效中红外涡旋激光的装置第二实施例示意图。
附图标记说明
1第一泵浦光2第一环形整形件3第一谐振腔镜
4激光介质 5第二谐振腔镜 6第二环形整形件
7第二泵浦光8谐振腔输出镜 2.1第一准直透镜
2.2第一空心平面反射镜 2.21第一空心平面镜横截面
2.3第一聚焦透镜2.4第三聚焦透镜2.5第一中空光纤
2.6第三准直透镜2.7第四聚焦透镜6.1第二准直透镜
6.2第二空心平面反射镜6.21第二空心平面镜横截面
6.3第二聚焦透镜6.4第五聚焦透镜6.5第二中空光纤
6.6第四准直透镜6.7第六聚焦透镜。
具体实施方式
为使对本实用新型的目的、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。
如图1所示，图1为Er3+能级简图，可以看出，2.8μm激光产生于能级4I11/2到能级4I13/2的跃迁，第一泵浦光1将粒子从基态4I15/2泵浦到激光上能级4I11/2，第二泵浦光7的波长处于4I13/2能级的激发态吸收峰，将激光下能级4I13/2粒子泵浦到4I9/2能级。由于4I9/2能级寿命较短(约50ns)，粒子会快速弛豫到4I11/2能级。
本实用新型提供一种产生高效中红外涡旋激光的装置，参见图2，图2为本实用新型一种产生高效中红外涡旋激光的装置示意图，主要包括第一泵浦光1、第一环形整形件2、第一谐振腔镜3、激光介质4、第二泵浦光7、第二环形整形件6、第二谐振腔镜5及谐振腔输出镜8；第一泵浦光1为976nm的半导体激光泵浦源；第一环形整形件2设置于第一泵浦光1的光路之后，将第一泵浦光1整形为环形泵浦光；第一谐振腔镜3设置于第一环形整形件2的光路之后；第一环形整形件2输出的环形泵浦光通过第一谐振腔镜3进入激光介质4；第二泵浦光7为1660nm的半导体激光泵浦源；第二环形整形件6设置于第二泵浦光7的光路之后，将第二泵浦光7整形为环形泵浦光；第二谐振腔镜5设置于第二环形整形件6的光路之后，第二环形整形件6输出的环形泵浦光通过第二谐振腔镜5进入激光介质4；其中，第一谐振腔镜3、第二谐振腔镜5及谐振腔输出镜8组成激光谐振腔，激光谐振腔呈L型，也可设计为V型或Z型，激光谐振腔对2.8μm涡旋激光起到振荡和选模作用，谐振腔输出镜8镀有2.8μm激光的部分透射膜，其中，激光介质4为掺Er3+的倍半氧化物或氟化物晶体，且两端均镀有976nm、1660nm和2.8μm激光的增透膜，第一空心平面反射镜2.2对中心波长976nm的第一泵浦光1进行反射得到空心的环形泵浦光，空心的环形泵浦光可以抑制激光谐振腔内基模高斯光束的振荡，并与涡旋激光具有较好的模式匹配，从而获得高质量高阶涡旋激光输出，第二空心平面反射镜6.21对中心波长1660nm的第二泵浦光7进行反射，反射后得到空心的环形泵浦光，再将其整形后注入到激光介质4中，光斑尺寸与整形后的976nm环形泵浦光最大程度重合，并与涡旋激光形成较好的模式匹配；同时可以激发能级4I13/2→4I9/2的能级跃迁，有效减少2.8μm激光下能级粒子数，并通过无辐射跃迁增加2.8μm激光上能级粒子数，实现更高效率的中红外涡旋激光输出。与传统泵浦方式相比，本实用新型可有效降低粒子在激光下能级停留时间，更容易实现2.8μm激光粒子数反转，降低泵浦阈值，使反转粒子可以更有效的转换为中红外激光输出；降低了激光发射过程中无辐射跃迁产生的废热，从而突破目前2.8μm固体激光量子亏损高、热效应严重的技术瓶颈。
为更清楚的说明本实用新型技术方案，现提供第一实施例，参见图3，图3为本实用新型一种产生高效中红外涡旋激光的装置第一实施例示意图，第一环形整形件2包括第一准直透镜2.1、第一空心平面反射镜2.2及第一聚焦透镜2.3，第一空心平面反射镜2.2成45°设置，2.21为第一空心平面反射镜横截面；第二环形整形件6包括第二准直透镜6.1、第二空心平面反射镜6.2及第二聚焦透镜6.3，第二空心平面反射镜成45°设置，6.21为第二空心平面反射镜横截面。具体为：第一泵浦光1为中心波长为976nm的半导体激光泵浦源，其中心波长处于激光介质4的吸收峰内，经过第一准直透镜2.1和第一空心平面反射镜2.2获得环形泵浦光，再经过第一聚焦透镜2.3耦合到激光介质4中，激光介质4为掺Er3+的倍半氧化物或氟化物晶体，两端均镀有976nm、1660nm和2.8μm激光的增透膜，第二泵浦光7为1660nm的半导体激光泵浦源，其中心波长也位于激光介质4的吸收峰内，第二泵浦光7经过第二准直透镜6.1和第二空心平面反射镜6.2得到环形泵浦光，第二泵浦光7整形得到的环形泵浦光可以将2.8μm激光下能级4I13/2粒子数减少，将他们反哺到激光上能级4I11/2，这将有利于实现2.8μm激光的粒子数反转，实现低阈值、高效率的2.8μm连续涡旋激光输出，第二泵浦光7整形得到的环形泵浦光再通过第二聚焦透镜6.3耦合到激光介质4中，并与第一泵浦光1的环形泵浦光尽大可能的重叠，形成共同激励，第一谐振腔镜3、第二谐振腔镜5及谐振腔输出镜8组成激光谐振腔，激光谐振腔呈L型，激光谐振腔对2.8μm涡旋激光起到振荡和选模作用，其中，第一谐振腔镜3镀有第一泵浦光1波长为976nm激光的高透膜和激光2.8μm的高反膜，第二谐振腔镜5镀有第二泵浦光7波长为1660nm的高透膜和激光2.8μm的高反膜，谐振腔输出镜8镀有激光2.8μm的部分透射膜，利用采用双波长泵浦技术，有效减少2.8μm激光下能级(4I13/2)的粒子布居数，同时增加2.8μm激光上能级(4I11/2)的粒子布居数，更容易实现中红外激光的粒子数反转，结合环形泵浦技术，使高阶横模激光得到高增益，获得高效率的2.8μm连续涡旋激光。
为了获得不同阶数的涡旋激光，可以通过改变环形泵浦光束内外半径比例以及激光谐振腔腔型来实现。其中，改变976nm环形泵浦光束内外半径，可以通过改变第一准直透镜2.1、第一空心平面反射镜2.2及第一聚焦透镜2.3之间的距离来实现；改变1660nm环形泵浦光束内外半径，可以通过改变第二准直透镜6.1、第二空心平面反射镜6.2及第二聚焦透镜6.3之间的距离来实现。改变谐振腔的腔型，可以通过调整第一谐振腔镜3、第二谐振腔镜5及谐振腔输出镜8的曲率半径和距离获得，本实用新型中，激光谐振腔呈L型，也可以将激光谐振腔变为V型或Z型等折叠腔型。
本实用新型另提供第二实施例，参见图4，图4为本实用新型一种产生高效中红外涡旋激光的装置第二实施例示意图，第一环形整形件2包括第三聚焦透镜2.4、第一中空光纤2.5、第三准直透镜2.6及第四聚焦透镜2.7。第二环形整形件6包括第五聚焦透镜6.4、第二中空光纤6.5、第四准直透镜6.6及第六聚焦透镜6.7，第一泵浦光1为中心波长976nm的半导体激光泵浦源，其中心波长处于激光介质4的吸收峰内，第一泵浦光1通过第三聚焦透镜2.4聚焦到第一中空光纤2.5产生环形泵浦光，在经第三准直透镜2.6及第四聚焦透镜2.7耦合到激光介质4中，激光介质4为掺Er3+的倍半氧化物或氟化物晶体，两端均镀有976nm、1660nm和2.8μm激光的增透膜，第二泵浦光7为中心波长1660nm的半导体激光泵浦源，其中心波长也位于激光介质4的吸收峰内，第二泵浦光7经由第五聚焦透镜6.4聚焦到第二中空光纤6.5产生环形泵浦光，再经第四准直透镜6.6及第六聚焦透镜6.7从激光介质4的另一端进入，并与第一泵浦光1产生的环形泵浦光尽大可能的重叠，形成共同激励，第一谐振腔镜3、第二谐振腔镜5及谐振腔输出镜8组成激光谐振腔，激光谐振腔呈L型，也可设计为V型或Z型，激光谐振腔对2.8μm涡旋激光起到振荡和选模作用，其中，第一谐振腔镜3镀有第一泵浦光1波长为976nm激光的高透膜和激光2.8μm的高反膜，第二谐振腔镜5镀有第二泵浦光7波长为1660nm的高透膜和激光2.8μm的高反膜，谐振腔输出镜8镀有激光2.8μm的部分透射膜，利用采用双波长泵浦技术，有效减少2.8μm激光下能级(4I13/2)的粒子布居数，同时增加2.8μm激光上能级(4I11/2)的粒子布居数，更容易实现中红外激光的粒子数反转，结合环形泵浦技术，使高阶横模激光得到高增益，获得高效率的2.8μm连续涡旋激光。
通过本实用新型提供的一种产生高效中红外涡旋激光的装置，选取第一泵浦光为976nm的半导体激光泵浦源，并选取第二泵浦光为1660nm的半导体激光泵浦源，将第一泵浦光整形为环形泵浦光后经第一谐振腔镜进入掺Er3+激光介质，同时将第二泵浦光整形为环形泵浦光后经第二谐振腔镜进入掺Er3+激光介质，采用双波长泵浦和环形泵浦相结合的技术方案，有效减少中红外2.8μm激光下能级粒子数，获得高效率中红外2.8μm连续涡旋激光输出，解决目前中红外涡旋激光转换效率低的技术瓶颈。
本实用新型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实用新型的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本实用新型的范围。相反地，在不脱离本实用新型的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本实用新型的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种产生高效中红外涡旋激光的装置，其特征在于，包括：
第一泵浦光，为976nm的半导体激光泵浦源；
第一环形整形件，设置于该第一泵浦光的光路之后，将该第一泵浦光整形为环形泵浦光；
第一谐振腔镜，设置于该第一环形整形件的光路之后；
激光介质，该第一环形整形件输出的环形泵浦光通过该第一谐振腔镜进入该激光介质；
第二泵浦光，为1660nm的半导体激光泵浦源；
第二环形整形件，设置于该第二泵浦光的光路之后，将该第二泵浦光整形为环形泵浦光；
第二谐振腔镜，设置于该第二环形整形件的光路之后，该第二环形整形件输出的环形泵浦光通过该第二谐振腔镜进入该激光介质；
谐振腔输出镜；
其中，该第一谐振腔镜、该第二谐振腔镜及谐振腔输出镜组成激光谐振腔，该第一泵浦光经该第一环形整形件后输出环形泵浦光，再经由该第一谐振腔镜进入该激光介质，同时该第二泵浦光经该第二环形整形件后输出环形泵浦光，再经由该第二谐振腔镜进入该激光介质，最后由该谐振腔输出镜输出。
2.根据权利要求1所述的一种产生高效中红外涡旋激光的装置，其特征在于，该第一环形整形件包括一第一准直透镜、一第一空心平面反射镜及一第一聚焦透镜。
3.根据权利要求2所述的一种产生高效中红外涡旋激光的装置，其特征在于，该第一空心平面反射镜成45°设置。
4.根据权利要求1所述的一种产生高效中红外涡旋激光的装置，其特征在于，该第二环形整形件包括一第二准直透镜、一第二空心平面反射镜及一第二聚焦透镜。
5.根据权利要求4所述的一种产生高效中红外涡旋激光的装置，其特征在于，该第二空心平面反射镜成45°设置。
6.根据权利要求1所述的一种产生高效中红外涡旋激光的装置，其特征在于，该第一环形整形件包括一第三聚焦透镜、一第一中空光纤、一第三准直透镜及一第四聚焦透镜。
7.根据权利要求1所述的一种产生高效中红外涡旋激光的装置，其特征在于，该第二环形整形件包括一第五聚焦透镜、一第二中空光纤、一第四准直透镜及一第六聚焦透镜。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种产生高效中红外涡旋激光的装置，其特征在于，该激光介质为掺Er3+的倍半氧化物或氟化物晶体，且两端均镀有976nm、1660nm和2.8μm激光的增透膜。
9.根据权利要求1-7任意一项所述的一种产生高效中红外涡旋激光的装置，其特征在于，该激光谐振腔呈L型。
10.根据权利要求1所述的一种产生高效中红外涡旋激光的装置，其特征在于，谐振腔输出镜镀有2.8μm激光的部分透射膜。
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