CN220475103U - 掺Tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及掺Tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，属于高功率中红外激光技术领域，其依次包括Tm:YLF种子激光器、Tm:YLF板条放大器、ZGP光参量振荡器以及ZGP光参量放大器，所述Tm:YLF种子激光器输出1.908μm基频光，经Tm:YLF板条放大器实现1.908μm基频光功率的放大，再直接泵浦ZGP光参量振荡器以及ZGP光参量放大器，所述Tm:YLF板条放大器的注入端以及输出端均设有基频光耦合隔离系统，所述ZGP光参量振荡器与所述ZGP光参量放大器之间设有中红外激光耦合隔离系统，本实用新型采用高功率的Tm:YLF激光直接泵浦ZGP光参量振荡器以及ZGP光参量放大器，提升了中红外激光的功率以及系统的整体效率。
Description
技术领域
本实用新型属于高功率中红外激光技术领域，具体地说涉及掺Tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置。
背景技术
波长3～5μm的中红外激光在医疗、牙科手术、分子光谱学、有机物分析、特殊材料加工、国防安全等方面具有广泛的应用前景。中红外固体激光器主要分为基于能级跃迁的中红外直接激射激光器(包括光纤激光器)及其放大器、基于非线性频率变换的中红外光参量振荡器和放大器两类。目前分别实现了数十瓦和百瓦级的输出，功率的进一步提升主要受到系统效率低、材料吸收损耗大的限制。由于作为初级泵浦源的二极管(LD)激光波长与中红外激光波长之间存在巨大差距，导致了严重的量子亏损，引起严重的热问题，最终导致中红外固体激光器性能下降、功率难以提升。尽管通过“同带泵浦”、“交叉弛豫”、“能量上转换”和“级联转换”等技术措施，可以部分改善中红外固体激光器系统由于波长差异导致的效率问题，但高功率输出仍面临激光增益材料和非线性晶体及其镀膜的损伤问题。为此，需要优选新的技术路线，通过提升系统效率、提高基频光输出功率、减小热效应，减小非线性晶体吸收系数和提升其内部品质、增大晶体尺寸等综合性措施，实现中红外固体激光器输出功率的跨量级增长。
实用新型内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出掺Tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其采用高功率的Tm:YLF激光直接泵浦ZGP光参量振荡器以及ZGP光参量放大器，提升了中红外激光的功率以及系统的整体效率。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
掺Tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其依次包括Tm:YLF种子激光器、Tm:YLF板条放大器、ZGP光参量振荡器以及ZGP光参量放大器，所述Tm:YLF种子激光器输出1.908μm基频光，经Tm:YLF板条放大器实现1.908μm基频光功率的放大，再直接泵浦ZGP光参量振荡器以及ZGP光参量放大器，所述Tm:YLF板条放大器的注入端以及输出端均设有基频光耦合隔离系统，所述ZGP光参量振荡器与所述ZGP光参量放大器之间设有中红外激光耦合隔离系统。
本技术方案进一步设置为，所述Tm:YLF种子激光器通过布拉格体光栅和/或标准具实现基频光波长的调控，使其远离水汽吸收峰，避免损伤，并通过声光Q开关实现脉冲输出，而后注入所述Tm:YLF板条放大器。
本技术方案进一步设置为，所述Tm:YLF种子激光器采用光纤耦合的793nm LD端面泵浦Tm:YLF晶体，其折叠型的谐振腔内通过声光Q开关实现脉冲调制。
本技术方案进一步设置为，所述Tm:YLF板条放大器包括793nm LD泵浦阵列以及Tm:YLF板条晶体，所述793nm LD泵浦阵列分别设置于所述Tm:YLF板条晶体的两端。
本技术方案进一步设置为，所述ZGP光参量振荡器采用双凹直线短腔，其包括谐振腔镜以及第一ZGP晶体，所述谐振腔镜为凹面镜。
本技术方案进一步设置为，所述ZGP光参量振荡器采用双晶体环形腔，其包括2个第一ZGP晶体以及多个反射镜，2个第一ZGP晶体切割角相同、相对放置。
本技术方案进一步设置为，所述ZGP光参量放大器包括第二ZGP晶体，所述ZGP光参量放大器与所述ZGP光参量振荡器采用同一套Tm:YLF泵浦激光，由所述ZGP光参量振荡器输出的中红外激光与经Tm:YLF板条放大器后分光的1.908μm基频光耦合至所述第二ZGP晶体中。
本技术方案进一步设置为，所述基频光耦合隔离系统包括隔离组件和基频光光斑耦合组件组成，所述隔离组件包括隔离器、波片、偏振片以及吸收池，所述基频光光斑耦合组件由不同焦距的球透镜和柱透镜组成，所述隔离器对1.908μm基频光进行隔离。
本技术方案进一步设置为，所述中红外激光耦合隔离系统包括中红外隔离组件和中红外激光光斑耦合组件组成，所述隔离组件包括隔离器、波片、偏振片以及吸收池，所述光斑耦合组件由不同焦距的球透镜组成，所述隔离器对中红外激光进行隔离。
本技术方案进一步设置为，所述Tm:YLF板条放大器以及所述ZGP光参量放大器采用多级放大结构，相邻级的Tm:YLF板条放大器之间设有基频光耦合隔离系统，相邻级的ZGP光参量放大器之间设有中红外激光耦合隔离系统。
本实用新型的有益效果是：
1、采用1.908μm基频光直接泵浦ZGP光参量振荡器以及ZGP光参量放大器，而非采用常规的2μm Ho:YAG激光器进行间接泵浦，减小了1.9μm的Tm激光到2μm的Ho激光之间转换造成的能量损失，减小了光学系统的规模，提升了中红外激光系统从0.793μm到3～5μm的整体光光效率。
2、采用YLF晶体作为掺Tm激光器中的基底材料，其热特性(负的热光系数)优于YAP等基底材料，避免了高功率时由于热效应产生极短的热焦距，从而导致激光器不稳定，性能下降。
3、采用Tm:YLF板条放大器实现脉冲、线偏振、窄线宽1.908μm的高功率激光输出，Tm:YLF激光系统采用主振荡加放大(MOPA)的技术路线，振荡级通过布拉格体光栅(VBG)和/或标准具进行波长的控制，使其远离水汽吸收峰，并通过声光Q开关实现kHz高重频的脉冲输出，放大级通过多级放大，分别实现跨量级的高平均功率输出。
4、Tm:YLF激光系统充分利用一变二的“交叉弛豫”效应，通过优化掺杂浓度、板条晶体构型、泵浦设计、放大提取效率等，实现1.908μm基频光的高效率输出，ZGP光参量振荡器以及放大器通过减小ZGP晶体吸收损耗、提升激光抗损伤阈值、优化谐振腔参数等，实现3～5μm低阈值、高效率的中红外激光输出，从基频光、光参量振荡器以及放大器两个方面提升转换效率，进而提升整个中红外激光的转换效率，最终的光子效率目标是>100％。
5、采用高功率的Tm:YLF激光直接泵浦ZGP光参量振荡器以及ZGP光参量放大器，中红外激光的功率潜力有望在现有技术水平上实现跨量级的提升。
附图说明
图1是本实用新型实施例采用的掺Tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置的整体结构示意图；
图2是本实用新型实施例采用的Tm:YLF种子激光器的示意图；
图3是本实用新型实施例采用的Tm:YLF板条放大器的示意图；
图4是本实用新型实施例采用的ZGP光参量振荡器的示意图；
图5是本实用新型实施例采用的ZGP光参量振荡器另实施方式的示意图。
附图中：1-Tm:YLF种子激光器、101-第一793nm LD、102-第一Tm:YLF晶体、103-声光Q开关、104-输出镜、105-第二793nm LD、106-第二Tm:YLF晶体、107-VBG、201-第一Tm:YLF板条放大器、202-第二Tm:YLF板条放大器、203-Tm:YLF板条晶体、204-第一793nm LD泵浦阵列、205-第二793nm LD泵浦阵列、3-ZGP光参量振荡器、301-谐振腔输入镜、302-谐振腔输出镜、303-第一ZGP晶体、304-第一ZGP晶体a、305-第一ZGP晶体b、401-第一ZGP光参量放大器、402-第二ZGP光参量放大器、5-基频光耦合隔离系统、6-中红外激光耦合隔离系统、7-第一分束镜、8-第一反射镜、9-第三分束镜、10-第二分束镜、11-第二反射镜、12-第三反射镜、13-第四反射镜、14-第五反射镜、15-第六反射镜、16-第四分束镜。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合本实用新型的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本实用新型创造。
实施例一：
如图1所示，掺Tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其依次包括Tm:YLF种子激光器1、Tm:YLF板条放大器、ZGP光参量振荡器3以及ZGP光参量放大器，所述Tm:YLF种子激光器1输出1.908μm基频光，经Tm:YLF板条放大器实现1.908μm基频光功率的放大，再直接泵浦ZGP光参量振荡器以及ZGP光参量放大器，所述Tm:YLF板条放大器的注入端以及输出端均设有基频光耦合隔离系统5，所述ZGP光参量振荡器3与所述ZGP光参量放大器之间设有中红外激光耦合隔离系统6。
本技术方案进一步设置为，所述Tm:YLF种子激光器1通过布拉格体光栅和/或标准具实现基频光波长的调控，使其远离水汽吸收峰，避免损伤，并通过声光Q开关实现脉冲输出，而后注入所述Tm:YLF板条放大器。
本技术方案进一步设置为，所述Tm:YLF种子激光器1采用光纤耦合的793nm LD端面泵浦Tm:YLF晶体，其折叠型的谐振腔内通过声光Q开关实现脉冲调制。
具体的，如图2所示，Tm:YLF种子激光器1包括第一793nm LD 101、第二793nm LD105、第一Tm:YLF晶体102、第二Tm:YLF晶体106、声光Q开关103、输出镜104以及VBG(体布拉格光栅)107，通过VBG107和/或标准具对输出基频光的中心波长和线宽进行控制，使其远离水汽吸收峰，避免光学元件的损伤，中心波长1908±0.5nm，线宽<0.2nm，通过腔内的声光Q开关103实现数kHz至数十kHz的脉冲输出，采用高掺杂的第一Tm:YLF晶体102、第二Tm:YLF晶体106作为增益材料，最终实现数十瓦的窄谱宽、线偏振的1.908μm基频光输出，光束质量M2<2，斜效率>60％，脉冲宽度数十至百ns量级。
Tm:YLF种子激光器是最具发展潜力的用于高功率中红外光参量振荡器和放大器的泵浦源。第一，能级结构丰富，可以实现2μm附近宽波段调谐输出；第二，基于“交叉弛豫”和“同带泵浦”的能级结构，文献中分别报道了>80％和>90％斜效率输出；第三，上能级寿命长，非常有利于实现大能量、高峰值功率的脉冲激光输出；第四，天然的双折射效应，可以直接输出线偏振激光；第五，负热光系数，可以补偿高功率时的热透镜效应，有利于实现高功率、高光束质量激光输出；第六，直接通过二极管激光泵浦，方便高效，避免了中间环节的能量转换损失。
本技术方案进一步设置为，所述Tm:YLF板条放大器包括793nm LD泵浦阵列以及Tm:YLF板条晶体，所述793nm LD泵浦阵列分别设置于所述Tm:YLF板条晶体的两端。
具体的，如图3所示，Tm:YLF板条放大器包括第一793nm LD泵浦阵列204、第二793nm LD泵浦阵列205以及Tm:YLF板条晶体203，其中，第一793nm LD泵浦阵列204、第二793nm LD泵浦阵列205分别设置于Tm:YLF板条晶体203的两端。采用双端泵浦和多通放大的光路，根据所需放大功率和提取效率的不同，Tm:YLF板条晶体203的掺杂浓度(通常为3％～6％)、尺寸(本实施例为4mm×10mm×30mm)和泵浦光构型可相应的优化调整。
本技术方案进一步设置为，所述Tm:YLF板条放大器采用多级放大结构，相邻级的Tm:YLF板条放大器之间设有基频光耦合隔离系统5。具体的，Tm:YLF板条放大器(包括第一Tm:YLF板条放大器201以及第二Tm:YLF板条放大器202)采用两级放大结构，其中，第一Tm:YLF板条放大器201目标是将1.908μm基频光功率放大10倍左右，第二Tm:YLF板条放大器202目标是将1.908μm基频光功率最终放大至数十倍至近百倍输出，总体光光转换效率接近50％。
本技术方案进一步设置为，所述ZGP光参量振荡器3采用双凹直线短腔，其包括谐振腔镜以及第一ZGP晶体，所述谐振腔镜为凹面镜。
具体的，如图4所示，所述ZGP光参量振荡器3包括谐振腔镜以及第一ZGP晶体303，谐振腔镜包括谐振腔输入镜301以及谐振腔输出镜302，采用1.908μm基频光往返泵浦、双谐振、短的双凹直线短腔实现低阈值和高效率的转换，通过旋转第一ZGP晶体303切割角，可以实现中红外3～5μm的波长调谐输出，当完全简并时，输出单一的3.8μm激光。ZGP光参量振荡器3目标是实现十瓦量级的中红外激光输出，光束质量M2<3，转换效率>60％。
本技术方案进一步设置为，所述ZGP光参量振荡器3采用双晶体环形腔，其包括2个第一ZGP晶体以及多个反射镜，2个第一ZGP晶体切割角相同、相对放置。
具体的，如图5所示，2个第一ZGP晶体分别为第一ZGP晶体a304、第一ZGP晶体b305，第一ZGP晶体a304、第一ZGP晶体b30切割角相同且相对放置，1.908μm基频光依次经过第一ZGP晶体a304以及第一ZGP晶体b305，以进一步提升中红外激光的效率和功率。
本技术方案进一步设置为，所述ZGP光参量放大器包括第二ZGP晶体，所述ZGP光参量放大器与所述ZGP光参量振荡器3采用同一套Tm:YLF泵浦激光，由所述ZGP光参量振荡器3输出的中红外激光与经Tm:YLF板条放大器后分光的1.908μm基频光耦合至所述第二ZGP晶体中。
ZGP晶体是目前中红外光参量振荡器和放大器中应用最广泛的非线性晶体之一，它的突出优点表现在：通光范围宽、有效非线性系数大、抗损伤阈值高、热导率高、尺寸大，其对于Tm:YLF种子激光器1产生的1.908μm基频光具有非常小的吸收系数和非常高的抗损伤阈值。
本技术方案进一步设置为，所述ZGP光参量放大器采用多级放大结构，相邻级的ZGP光参量放大器之间设有中红外激光耦合隔离系统6。本实施例中，所述ZGP光参量放大器(包括第一ZGP光参量放大器401以及第二ZGP光参量放大器402)采用两级放大结构，由所述ZGP光参量振荡器3输出的中红外激光与经Tm:YLF板条放大器后分光的1.908μm基频光在空间上和传播方向上实现最佳匹配，进而实现高效的中红外激光放大。第二ZGP晶体的尺寸为15mm×15mm×30mm，基频光吸收系数<0.03cm-1，中红外激光吸收系数<0.01cm-1，损伤阈值>5J/cm2，第一ZGP光参量放大器401目标是将中红外激光放大十倍左右，第二ZGP光参量放大器402目标是将中红外激光最终放大至数十倍甚至更高，光光转换效率>50％，光束质量M2<5。
本技术方案进一步设置为，所述基频光耦合隔离系统5包括隔离组件和基频光光斑耦合组件组成，所述隔离组件包括隔离器、波片、偏振片以及吸收池，所述隔离器对1.908μm基频光进行隔离，所述隔离组件的作用是防止后一级的回光对前一级系统的影响，使1.908μm基频光沿单方向传播，所述基频光光斑耦合组件由不同焦距的球透镜和柱透镜组成，其作用是将注入Tm:YLF板条放大器的1.908μm基频光的光斑形状和大小调整至最佳。
本技术方案进一步设置为，所述中红外激光耦合隔离系统6包括中红外隔离组件和中红外激光光斑耦合组件组成，所述隔离组件包括隔离器、波片、偏振片以及吸收池，所述光斑耦合组件由不同焦距的球透镜组成，所述隔离器对中红外激光进行隔离。所述中红外激光耦合隔离系统6主要作用是防止中红外3～5μm的回光对前一级系统的影响，并且将1.908μm基频光和3～5μm中红外激光的光斑形状和大小调整至最佳，并在第二ZGP晶体中实现空间的重合与匹配。
工作时，Tm:YLF种子激光器1输出1.908μm基频光作为种子光，1.908μm基频光依次经过第一Tm:YLF板条放大器201以及第二Tm:YLF板条放大器202进行两级放大，经过两级放大后的1.908μm基频光经第一分束镜7分为第一反射光束以及第一透射光束，第一反射光束经第一反射镜8注入ZGP光参量振荡器3，输出3～5μm中红外激光，第一透射光束经第二分束镜10分为第二反射光束以及第二透射光束，第二反射光束依次经第二反射镜11、第三反射镜12传输至第三分束镜9，并与3～5μm中红外激光合束耦合至第一ZGP光参量放大器401，第二透射光束经第四反射镜13、第五反射镜14、第六反射镜15传输至第四分束镜16，并与第一ZGP光参量放大器401放大后的3～5μm中红外激光合束耦合至第二ZGP光参量放大器402。
本实用新型结合了Tm:YLF种子激光器1产生高功率、高效率的基频光以及ZGP光参量振荡器3实现了低吸收、高效率转换的综合优势，为中红外固体激光输出功率实现超量级跨越提供了新的思路和方法，系统整体的光光效率有望超过20％，光子效率有望超过100％，同时，可以根据所需中红外激光输出功率的大小相应的增加或减小Tm:YLF板条放大器和ZGP光参量放大器的数量。
实施例二：
本实施例与实施例一的区别在于：
Tm:YLF种子激光器1以及Tm:YLF板条放大器的泵浦源选用Tm光纤或Er光纤，实现能级3H6→3F4的同带泵浦，而非基于793nm泵浦的“交叉弛豫”中3H6+3H4→3F4+3F4的能级跃迁，目的是实现更高效率、更低产热、更高光束质量的高功率Tm:YLF激光输出。
实施例三：
本实施例与实施例一的区别在于：
非线性晶体采用掺MgO的PPLN或PPLT等准相位匹配的周期极化晶体，此时需要在现有技术水平上提高MgO:PPLN或PPLT的损伤阈值，增加其有效通光孔径。
以上已将本实用新型做一详细说明，以上所述，仅为本实用新型之较佳实施例而已，当不能限定本实用新型实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖范围内。
Claims (10)
1.掺Tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其特征在于，其依次包括Tm:YLF种子激光器、Tm:YLF板条放大器、ZGP光参量振荡器以及ZGP光参量放大器，所述Tm:YLF种子激光器输出1.908μm基频光，经Tm:YLF板条放大器实现1.908μm基频光功率的放大，再直接泵浦ZGP光参量振荡器以及ZGP光参量放大器，所述Tm:YLF板条放大器的注入端以及输出端均设有基频光耦合隔离系统，所述ZGP光参量振荡器与所述ZGP光参量放大器之间设有中红外激光耦合隔离系统。
2.根据权利要求1所述的掺Tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其特征在于，所述Tm:YLF种子激光器通过布拉格体光栅和/或标准具实现基频光波长的调控，并通过声光Q开关实现脉冲输出，而后注入所述Tm:YLF板条放大器。
3.根据权利要求2所述的掺Tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其特征在于，所述Tm:YLF种子激光器采用光纤耦合的793nm LD端面泵浦Tm:YLF晶体，其折叠型的谐振腔内通过声光Q开关实现脉冲调制。
4.根据权利要求3所述的掺Tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其特征在于，所述Tm:YLF板条放大器包括793nm LD泵浦阵列以及Tm:YLF板条晶体，所述793nm LD泵浦阵列分别设置于所述Tm:YLF板条晶体的两端。
5.根据权利要求1所述的掺Tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其特征在于，所述ZGP光参量振荡器采用双凹直线短腔，其包括谐振腔镜以及第一ZGP晶体，所述谐振腔镜均为凹面镜。
6.根据权利要求1所述的掺Tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其特征在于，所述ZGP光参量振荡器采用双晶体环形腔，其包括2个第一ZGP晶体以及多个反射镜，2个第一ZGP晶体切割角相同、相对放置。
7.根据权利要求5或6所述的掺Tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其特征在于，所述ZGP光参量放大器包括第二ZGP晶体，所述ZGP光参量放大器与所述ZGP光参量振荡器采用同一套Tm:YLF泵浦激光，由所述ZGP光参量振荡器输出的中红外激光与经Tm:YLF板条放大器后分光的1.908μm基频光耦合至所述第二ZGP晶体中。
8.根据权利要求1所述的掺Tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其特征在于，所述基频光耦合隔离系统包括隔离组件和基频光光斑耦合组件组成，所述隔离组件包括隔离器、波片、偏振片以及吸收池，所述基频光光斑耦合组件由不同焦距的球透镜和柱透镜组成，所述隔离器对1.908μm基频光进行隔离。
9.根据权利要求8所述的掺Tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其特征在于，所述中红外激光耦合隔离系统包括中红外隔离组件和中红外激光光斑耦合组件组成，所述隔离组件包括隔离器、波片、偏振片以及吸收池，所述光斑耦合组件由不同焦距的球透镜组成，所述隔离器对中红外激光进行隔离。
10.根据权利要求1所述的掺Tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其特征在于，所述Tm:YLF板条放大器以及所述ZGP光参量放大器采用多级放大结构，相邻级的Tm:YLF板条放大器之间设有基频光耦合隔离系统，相邻级的ZGP光参量放大器之间设有中红外激光耦合隔离系统。
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