一種高功率中紅外級聯(lián)全固態(tài)激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于全固態(tài)固體激光設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種高功率中紅外級聯(lián)全固態(tài)激光器，晶體冷卻上熱沉和晶體冷卻下熱沉之間嵌入式安裝有摻鈥氟化物激光晶體，晶體冷卻上熱沉和晶體冷卻下熱沉中間通冷卻水冷卻；摻鈥氟化物激光晶體的前端平行放置有前腔鏡，后端平行放置有后腔鏡；后腔鏡的后面放置有耦合聚焦透鏡，耦合聚焦透鏡的后端依次放置有耦合準(zhǔn)直透鏡和泵浦源；其結(jié)構(gòu)簡單，組裝方便，操作靈便，泵浦光能量利用率高，實現(xiàn)低閾值、高效率的連續(xù)光輸出。
【專利說明】
一種高功率中紅外級聯(lián)全固態(tài)激光器

【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明屬于全固態(tài)固體激光設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種高功率中紅外級聯(lián)全固態(tài)激光器，基于3 μ m波段激活離子的能級結(jié)構(gòu)特征，采用級聯(lián)激光的技術(shù)手段提高3 μ m波段激光的轉(zhuǎn)換效率，實現(xiàn)高效率、高功率的3 μ m波段激光輸出。

【背景技術(shù)】
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[0002]近年來，中紅外波段(3?5 μ m)激光逐漸成為國際激光【技術(shù)領(lǐng)域】的研究熱點。中紅外波段激光在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷和治療以及國家安全等方面都有著重要的應(yīng)用，是當(dāng)前急需發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，Nature Photonics2012年發(fā)表專刊高度評價了中紅外激光的科學(xué)研究價值。目前固體激光技術(shù)產(chǎn)生3μπι波段激光的技術(shù)路線主要有光學(xué)參量振蕩器(OPO)、光纖激光器以及全固態(tài)激光，其中光學(xué)參量振蕩器轉(zhuǎn)換效率較低，并且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可操作性能差；而3 μ m波段光纖激光器比較脆弱，熔點低，且損傷閾值低，不利于脈沖激光運(yùn)轉(zhuǎn)，極大地限制了高質(zhì)量的3 μ m波段激光的產(chǎn)生；全固態(tài)激光器直接產(chǎn)生3 μ m波段激光起步相對較早，但發(fā)展非常緩慢，相比于較成熟的I μ m等近紅外波段激光動輒上百瓦的輸出功率，3 μ m固體激光技術(shù)發(fā)展已經(jīng)嚴(yán)重滯后，輸出功率和轉(zhuǎn)換效率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏低，這主要是由于短波長抽運(yùn)產(chǎn)生長波長激光本身的量子效率較低，而且產(chǎn)生中紅外激光需要低聲子能量的激光基質(zhì)，可供選擇的固體激光介質(zhì)相對較少，使得直接獲得高效率、高功率的3 μ m波段固體激光輸出十分困難。


【發(fā)明內(nèi)容】

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[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點，這對現(xiàn)有3 μ m全固態(tài)激光技術(shù)輸出功率和轉(zhuǎn)換效率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏低的現(xiàn)狀，尋求設(shè)計提供一種高功率中紅外級聯(lián)全固態(tài)激光器，將級聯(lián)激光的技術(shù)手段應(yīng)用于3 μ m全固態(tài)摻欽激光器中，實現(xiàn)高效率、高功率的3 μ m連續(xù)激光輸出。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)包括摻欽氟化物激光晶體、后腔鏡、前腔鏡、晶體冷卻上熱沉、晶體冷卻下熱沉、泵浦源、耦合準(zhǔn)直透鏡和耦合聚焦透鏡；晶體冷卻上熱沉和晶體冷卻下熱沉之間嵌入式安裝有摻欽氟化物激光晶體，均為紫銅材質(zhì)的晶體冷卻上熱沉和晶體冷卻下熱沉中間通冷卻水冷卻；板條或塊狀結(jié)構(gòu)的摻欽氟化物激光晶體采用聲子能量低的氟化物為基質(zhì)，其長度I為1mm?30mm,寬w為3mm,厚d介于Imm?1.2mm ；摻欽氟化物激光晶體的前端平行放置有前腔鏡，后端平行放置有后腔鏡；CaF2材料制成的后腔鏡和前腔鏡均為平平鏡，后腔鏡上鍍有2.1 μ m和2.9μ m的全反膜,前腔鏡為輸出鏡，輸出2.1ym和2.9μηι的激光；后腔鏡的后面放置有稱合聚焦透鏡,稱合聚焦透鏡的后端依次放置有耦合準(zhǔn)直透鏡和泵浦源；泵浦源的中心波長為1150nm，泵浦源為激光二極管陣列、尾纖輸出的激光二極管或激光器；耦合準(zhǔn)直透鏡和耦合聚焦透鏡將泵浦源發(fā)出的激光入射到摻欽氟化物激光晶體被吸收。
[0005]本發(fā)明的工作原理是:欽氟化物激光晶體中的Ho3+能級5I6到能級5I7的躍遷產(chǎn)生3 μ m激光，其中3 μ m激光下能級5I7能級壽命為16ms，提高了實現(xiàn)3 μ m激光粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的難度，同時5I7能級上積累的粒子將無輻射躍遷到基態(tài)5I8能級，產(chǎn)生熱量，影響3 μ m激光的轉(zhuǎn)換效率；而3 μ m激光下能級5I7為Ho3+中產(chǎn)生2 μ m激光的上能級，所以采用“級聯(lián)激光”的技術(shù)手段實現(xiàn)Ho3+全固態(tài)激光3 μ m(能級5I6 —能級5I7)和2 μ m(能級5I7 —能級5I8)的同時輸出，降低Ho3+中3 μ m激光下能級粒子數(shù)，削弱無輻射躍遷造成的熱效應(yīng)影響，從而獲得高效率、低閾值的3μπι連續(xù)激光，同時還可以實現(xiàn)2μπι的激光輸出，更加高效的利用泵浦光的能量。
[0006]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:一是采用級聯(lián)激光技術(shù)，有效改善3μπι激活離子下能級壽命長的缺點，實現(xiàn)低閾值、高效率的3μπι連續(xù)激光輸出；二是采用聲子能量低的氟化物為激光晶體基質(zhì)，有效地提高中紅外激光的轉(zhuǎn)換效率；三是激光晶體采用薄的板條或塊狀結(jié)構(gòu)，晶體嵌在冷卻熱沉中通冷卻水冷卻，改善晶體的熱透鏡效應(yīng)，有利于產(chǎn)生高功率中紅外激光；四是采用級聯(lián)激光技術(shù)，在產(chǎn)生2.9 μ m激光的同時產(chǎn)生2.1ym激光，更加高效地利用泵浦光能量；其結(jié)構(gòu)簡單，組裝方便，操作靈便，泵浦光能量利用率高，實現(xiàn)低閾值、高效率的連續(xù)光輸出。

【專利附圖】

【附圖說明】
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[0007]圖1為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0008]圖2為本發(fā)明涉及的Ho3+能級圖。

【具體實施方式】
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[0009]下面結(jié)合實例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0010]實施例:
[0011]本實施例的主體結(jié)構(gòu)包括摻欽氟化物激光晶體1、后腔鏡2、前腔鏡3、晶體冷卻上熱沉4、晶體冷卻下熱沉5、泵浦源6、耦合準(zhǔn)直透鏡7和耦合聚焦透鏡8 ;晶體冷卻上熱沉4和晶體冷卻下熱沉5之間嵌入式安裝有摻欽氟化物激光晶體1，均為紫銅材質(zhì)的晶體冷卻上熱沉4和晶體冷卻下熱沉5中間通冷卻水冷卻；板條或塊狀結(jié)構(gòu)的摻欽氟化物激光晶體I采用聲子能量低的氟化物為基質(zhì)，其長度I為1mm?30mm,寬w為3mm,厚d介于Imm?
1.2mm ;摻欽氟化物激光晶體I的前端平行放置有前腔鏡3,后端平行放置有后腔鏡2 ；CaF2材料制成的后腔鏡2和前腔鏡3均為平平鏡，后腔鏡2上鍍有2.1 μ m和2.9 μ m的全反膜，前腔鏡3為輸出鏡，輸出2.1ym和2.9μπι的激光；后腔鏡2的后面放置有耦合聚焦透鏡8，耦合聚焦透鏡8的后端依次放置有耦合準(zhǔn)直透鏡7和泵浦源6 ;泵浦源6的中心波長為1150nm，泵浦源6為激光二極管陣列、尾纖輸出的激光二極管或激光器；耦合準(zhǔn)直透鏡7和耦合聚焦透鏡8將泵浦源6發(fā)出的激光入射到摻欽氟化物激光晶體I被吸收。
[0012]本實施例涉及的摻欽氟化物激光晶體I中欽的三價陽離子的激光物理過程為:在Ho3+的能級中，3 μ m波段激光產(chǎn)生于上能級5I6到下能級5I7的躍遷，其上能級5I6的熒光壽命(1.8ms)遠(yuǎn)短于下能級5I7的熒光壽命(16ms)，極大地增加產(chǎn)生3μπι波段激光的難度，壓低3 μ m激光的轉(zhuǎn)換效率；采用泵浦源6發(fā)出的一束泵浦光在同一個諧振腔中實現(xiàn)
3UmfI6 — 5I7)和2 μ m(5I7 — 5I8)激光的同時振蕩輸出，降低3 μ m激光下能級5I7上積累的粒子數(shù)，將其通過受激輻射產(chǎn)生2 μ m激光的方式釋放，縮短粒子在激光下能級停留的時間，同時削弱3 μ m激光單振蕩時5I7能級粒子無輻射躍遷造成的熱效應(yīng)影響，從而更易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，降低激光器的閾值，并且使能級5I6上的粒子能量更加有效地轉(zhuǎn)換為中紅外激光輸出。同時，相比于傳統(tǒng)激光器，由于2 μ m激光的產(chǎn)生，使泵浦光能量得到更高效率的轉(zhuǎn)換；同時，在此級聯(lián)激光過程中，存在多個能量轉(zhuǎn)換過程，如能量上轉(zhuǎn)換(ETU)、激發(fā)態(tài)吸收(ESA)和交叉弛豫，每個因素都會影響到3 μ m激光的輸出特性。
【權(quán)利要求】
1.一種高功率中紅外級聯(lián)全固態(tài)激光器，其特征在于主體結(jié)構(gòu)包括摻欽氟化物激光晶體、后腔鏡、前腔鏡、晶體冷卻上熱沉、晶體冷卻下熱沉、泵浦源、耦合準(zhǔn)直透鏡和耦合聚焦透鏡；晶體冷卻上熱沉和晶體冷卻下熱沉之間嵌入式安裝有摻欽氟化物激光晶體，均為紫銅材質(zhì)的晶體冷卻上熱沉和晶體冷卻下熱沉中間通冷卻水冷卻；板條或塊狀結(jié)構(gòu)的摻欽氟化物激光晶體采用聲子能量低的氟化物為基質(zhì)，其長度I為1mm?30mm,寬w為3mm,厚d為Imm?1.2mm ;摻欽氟化物激光晶體的前端平行放置有前腔鏡,后端平行放置有后腔鏡；CaF2材料制成的后腔鏡和前腔鏡均為平平鏡,后腔鏡上鍍有2.1 μ m和2.9 μ m的全反膜,前腔鏡為輸出鏡，輸出2.Ιμπι和2.9μηι的激光；后腔鏡的后面放置有I禹合聚焦透鏡,I禹合聚焦透鏡的后端依次放置有耦合準(zhǔn)直透鏡和泵浦源；泵浦源的中心波長為1150nm，泵浦源為激光二極管陣列、尾纖輸出的激光二極管或激光器；耦合準(zhǔn)直透鏡和耦合聚焦透鏡將泵浦源發(fā)出的激光入射到摻欽氟化物激光晶體被吸收。
【文檔編號】H01S3/23GK104184041SQ201410462218
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月12日
【發(fā)明者】張帥一, 王霞, 趙秋玲, 呂浩 申請人:青島科技大學(xué)