本發(fā)明涉及一種可重頻運轉(zhuǎn)的中紅外室溫薄片fe²⁺:znse激光器，屬于中紅外固體激光器技術領域。

背景技術：

中紅外波段激光器在人眼安全雷達、激光譜學、激光醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、激光通信、激光對抗等領域具有重要的應用前景。過渡金屬fe離子摻雜的znse激光器具有超寬的吸收光譜和熒光譜，是中紅外4～4.5μm波段具有競爭力的新型固體激光源。但是，fe²⁺:znse晶體上能級熒光壽命受工作溫度影響顯著，溫度低于180k時其能級壽命約為60μs，但溫度高于180k之后，其能級壽命迅速降低，在室溫293k時能級壽命降低到0.38μs，且激光泵浦引起的晶體溫升還將進一步拉低fe²⁺離子能級壽命，因此，重頻運轉(zhuǎn)條件下的熱積累極易導致激光溫度猝滅效應，使得fe²⁺:znse激光器在室溫條件難以重復頻率運轉(zhuǎn)。如martyshkin報道了一種重復頻率fe²⁺:znse激光器(martyshkin，etal.“highaveragepower(35w)pulsedfe:znselasertunableover3.8-4.2μm,”inproceedingsofcleo,2015,papersf1f.2)，在低溫77k時實現(xiàn)了100hz、35w的中紅外激光輸出，但受限于較大的泵浦源脈沖寬度及重頻運轉(zhuǎn)條件下嚴重熱積累效應，該激光器無法在室溫條件下運轉(zhuǎn)。

firsov報道了一種重復頻率室溫fe²⁺:znse激光器(firsov,etal.“spectralandtemporalcharacteristicsofaznse:fe²⁺laserpumpedbyanon-chainhf(df)laseratroomtemperature,”laserphys.lett.2014,11,pp.125004.)，他采用了脈寬僅為數(shù)十納秒(低于室溫fe²⁺離子能級壽命)的氟化氫/氟化氘激光泵浦源泵浦棒狀fe²⁺:znse(φ20mm×4.5mm)晶體，實現(xiàn)了fe²⁺:znse激光器室溫重復頻率運轉(zhuǎn)，但其光轉(zhuǎn)換效率僅為10.9％，遠低于采用類似裝置在單脈沖運轉(zhuǎn)條件下40％的光轉(zhuǎn)換效率(firsov,etal.“room-temperaturelaseronaznse:fe²⁺polycrystalwithundopedfaces,excitedbyanelectrodischargehflaser,”laserphys.lett.2016,13055002)，重頻泵浦引起的嚴重的熱積累是導致fe²⁺:znse激光器重頻工作光轉(zhuǎn)換效率低下的主要原因。目前的重復頻率室溫中紅外fe²⁺:znse激光器難以滿足在工業(yè)、國防及科研領域的應用需求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術中fe²⁺:znse激光器無法在保證光轉(zhuǎn)換效率的基礎上，室溫下運轉(zhuǎn)的問題，提供一種可重頻運轉(zhuǎn)的中紅外室溫薄片fe²⁺:znse激光器。

本發(fā)明解決上述技術問題采取的技術方案如下。

可重頻運轉(zhuǎn)的中紅外室溫薄片fe²⁺:znse激光器，包括：短脈沖激光泵浦源、第一聚焦全反射鏡、第二聚焦全反射鏡、熱沉、fe²⁺:znse晶體、水冷管道和激光輸出鏡；

所述短脈沖激光泵浦源的脈沖寬度小于室溫fe²⁺:znse晶體的能級壽命，波長處于fe²⁺:znse晶體的吸收光譜范圍內(nèi)；

所述第一聚焦全反射鏡將短脈沖激光泵浦源輸出的泵浦光束整形后射入fe²⁺:znse晶體；

所述第二聚焦全反射鏡的個數(shù)為x/2-1個，x為泵浦程數(shù)，第二聚焦全反射鏡將未被fe²⁺:znse晶體吸收的泵浦光束反射回fe²⁺:znse晶體；

所述熱沉和fe²⁺:znse晶體通過金屬片熱熔焊接，金屬片為銦片或者錫片；

所述fe²⁺:znse晶體采用高摻雜的薄片晶體，經(jīng)金屬片與熱沉接觸的一面鍍泵浦激光與諧振激光的高反膜，另一面鍍泵浦激光與諧振激光的增透膜，fe²⁺:znse晶體的晶體厚度d與摻雜濃度n間的關系式為：

式中，d為晶體厚度，θ為泵浦光入射角，i為晶體出射光強，i0為入射光強，n為fe離子摻雜濃度，σ為吸收截面；

fe²⁺:znse晶體吸收第一聚焦全反射鏡射入的泵浦光束，將未被fe²⁺:znse晶體吸收的泵浦光束反射至第二聚焦全反射鏡，并吸收第二聚焦全反射鏡射入的泵浦光束；

所述水冷管道設置在熱沉內(nèi)，將fe²⁺:znse激光晶體產(chǎn)生的熱量迅速由冷卻水帶走；

所述激光輸出鏡鍍諧振激光半透半反膜，激光輸出鏡與fe²⁺:znse晶體共光軸設置，與fe²⁺:znse晶體后端面的高反射膜構(gòu)成激光諧振腔，用于輸出fe²⁺:znse激光束。

進一步的，所述短脈沖激光泵浦源為波長為2.94μm調(diào)qer:yag激光器、2.7μm非鏈式脈沖氟化氫激光器，或3.8μm非鏈式脈沖氟化氘激光器。

進一步的，所述第一聚焦全反射鏡和第二聚焦全反射鏡均為泵浦激光高反射鏡。

進一步的，所述x為四，第二聚焦全反射鏡為一個。

進一步的，所述熱沉上設有凹槽，fe²⁺:znse晶體設置在凹槽內(nèi)。

進一步的，所述熱沉為銅熱沉。

進一步的，在確定泵浦光入射角θ、晶體出射光強i和入射光強i0后，先根據(jù)給定的泵浦程數(shù)，確定晶體厚度與fe離子摻雜濃度的對應數(shù)值關系，再根據(jù)晶體厚度的軸向散熱效果及激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復雜程度，確定fe²⁺:znse激光器的泵浦程數(shù)及晶體厚度。

進一步的，所述金屬片厚度范圍為50μm～1mm，熱沉與fe²⁺:znse晶體通過金屬片熱熔焊接。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的可重頻運轉(zhuǎn)的中紅外室溫薄片fe²⁺:znse激光器，采用fe²⁺:znse晶體薄片，具有良好的軸向熱傳導能力，軸向散熱能力強，且fe²⁺:znse晶體與熱沉通過金屬片熱熔焊接，實現(xiàn)良好的散熱，使泵浦產(chǎn)生的熱能快速通過熱沉傳導散熱，消除了激光器重復頻率運轉(zhuǎn)時的熱積累效應以及晶體溫升引起的fe²⁺:znse激光溫度猝滅效應，即便在重復頻率泵浦條件下，晶體內(nèi)部也不會產(chǎn)生顯著的溫升，滿足fe²⁺:znse激光器室溫重復頻率運轉(zhuǎn)需求，具有更好的實用性；此時，采用泵浦脈寬小于室溫鐵離子能級壽命的激光泵浦源，通過兩塊以上的全反射聚焦鏡實現(xiàn)多程激光泵浦，有效提升泵浦激光吸收效率，在激光諧振腔反饋作用下，可實現(xiàn)高效率、穩(wěn)定的重復頻率中紅外激光輸出。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的可重頻運轉(zhuǎn)的中紅外室溫薄片fe²⁺:znse激光器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明對泵浦光強吸收90％時，fe²⁺:znse晶體的厚度與摻雜濃度的間的數(shù)值關系；

圖中，1、短脈沖激光泵浦源，2、第一聚焦全反射鏡，3、第二聚焦全反射鏡，4、熱沉，5、fe²⁺:znse晶體，6、金屬片，7、水冷管道，8、激光輸出鏡。

具體實施方式

為進一步說明本發(fā)明的特征和結(jié)構(gòu)，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細描述。

如圖1，本發(fā)明的一種可重頻運轉(zhuǎn)的中紅外室溫薄片fe²⁺:znse激光器，包括：短脈沖激光泵浦源1、第一聚焦全反射鏡2、第二聚焦全反射鏡3、熱沉4、fe²⁺:znse晶體5、水冷管道7和激光輸出鏡8。

其中，短脈沖激光泵浦源1脈沖寬度小于室溫fe²⁺:znse晶體的能級壽命(370ns)，波長處于fe²⁺:znse晶體吸收光譜范圍內(nèi)(2.5～4μm)。如可選用波長為2.94μm調(diào)qer:yag激光器、中心波長2.7μm非鏈式脈沖氟化氫激光器、或中心波長3.8μm非鏈式脈沖氟化氘激光器。本實施方式選用半導體激光泵浦的調(diào)q全固態(tài)er:yag激光器為泵浦源，可有效提升效率、壓縮系統(tǒng)體積。

第一聚焦全反射鏡2和第二聚焦全反射鏡3均為泵浦激光高反射鏡，其功能為折返光路和調(diào)節(jié)泵浦激光能量密度。第二聚焦全反射鏡3的數(shù)量為零個、一個或多個，具體根據(jù)泵浦程數(shù)x確定，為x/2-1，如泵浦程數(shù)為4，第二聚焦全反射鏡3為1個，通過增減第二聚焦全反射鏡3的數(shù)量可方便調(diào)整泵浦激光在激光晶體內(nèi)的傳輸次數(shù)。

熱沉4上設有凹槽，用于容納fe²⁺:znse晶體5。熱沉4一般為銅熱沉。熱沉4和fe²⁺:znse晶體5之間通過金屬片6實現(xiàn)固定連接。金屬片6的材料為錫片或者銦片，厚度范圍為50μm～1mm，fe²⁺:znse晶體5和金屬片6緊密接觸，通過金屬片6熱熔實現(xiàn)fe²⁺:znse晶體5和熱沉4的焊接，焊接完成后迅速降溫至室溫。如金屬片6為銦片，銦片的厚度為100μm，平鋪在熱沉4上，fe²⁺:znse晶體5輕壓在銦片上，保持fe²⁺:znse晶體5和銦片緊密接觸，在溫度160℃條件下，銦片熱熔(熔點156.61℃)，從而實現(xiàn)fe²⁺:znse晶體5和熱沉4的熱熔焊接。

fe²⁺:znse晶體5采用高摻雜的薄片晶體，是中紅外室溫重復頻率fe²⁺:znse激光器的核心，它經(jīng)金屬片6與熱沉4接觸的一面鍍泵浦激光與諧振激光的高反膜，以降低晶體端面透射損耗，同時諧振激光的高反射膜等效于fe²⁺:znse激光器全反射后腔鏡，另一面鍍泵浦激光與諧振激光的增透膜，以降低晶體入射面透射損耗。薄片激光器的一個顯著特征就是激光晶體為薄片(典型厚度小于0.5mm)，薄片晶體厚度越小，晶體軸向散熱能力越好，晶體溫升越小，越有利于重頻穩(wěn)定工作。但激光晶體厚度越小，摻雜離子對泵浦激光的單程吸收能力越弱，不利于激光高效泵浦，因此，晶體摻雜濃度及晶體厚度設計至關重要。本發(fā)明fe²⁺:znse晶體5的吸收系數(shù)表達式為：a＝σ×n，式中n為fe離子摻雜濃度，σ為吸收截面(0.97×10^-18cm²)。根據(jù)郎伯定律：i＝i0e^-al，i為晶體出射光強，i0為入射光強，l為泵浦光在晶體內(nèi)的傳輸距離。設晶體厚度為d，泵浦光入射角θ，泵浦光在晶體內(nèi)的傳輸距離l＝d/con(θ)，則在x程泵浦條件下(泵浦光在晶體內(nèi)的傳輸距離為xl)，晶體厚度d與摻雜濃度n的間的關系式為：

在確定泵浦光入射角θ，fe²⁺:znse晶體對泵浦激光的吸收(1-i/i0)，以及程數(shù)x的情況下，可方便確定fe²⁺:znse激光器晶體摻雜濃度和晶體厚度參數(shù)。根據(jù)fe²⁺:znse激光晶體厚度的軸向散熱效果及激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復雜程度，確定激光器的泵浦程數(shù)及fe²⁺:znse激光晶體厚度。如：在泵浦光入射角θ為60°，fe²⁺:znse晶體對泵浦激光的吸收(1-i/i0)＝90％時，計算晶體厚度d與摻雜濃度n間的數(shù)值關系，結(jié)果如圖2，從圖2可以看出，雙程泵浦時，fe²⁺:znse激光晶體厚度較大，影響軸向散熱效果，而六程泵浦時，fe²⁺:znse激光晶體厚度較薄，具有良好的散熱能力，但六程泵浦時激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復雜，因此，晶體厚度適中的四程泵浦為優(yōu)選方案，此時晶體摻雜濃度若為1×10¹⁹cm^-3，薄片晶體厚度為300μm。

水冷管道7設置熱沉4內(nèi)，在外接水冷機條件下，將fe²⁺:znse晶體5產(chǎn)生的熱量迅速由冷卻水帶走，在激光器工作的過程中，保持fe²⁺:znse晶體5溫度恒定。

激光輸出鏡8選用caf2基底，鍍諧振激光(4.3μm)半透半反膜，它與fe²⁺:znse晶體5呈共光軸設置，與fe²⁺:znse晶體5后端面所鍍的高反射膜構(gòu)成激光諧振腔，實現(xiàn)fe²⁺:znse激光反饋及能量萃取，在短脈沖激光泵浦條件下，可實現(xiàn)fe²⁺:znse激光室溫重復頻率穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

本發(fā)明的泵浦光路走向為：

若泵浦程數(shù)為二，短脈沖激光泵浦源1輸出泵浦光束，泵浦光束由短脈沖激光泵浦源1輸出后經(jīng)第一聚焦全反射鏡2整形后射入fe²⁺:znse晶體5完成第一程泵浦，之后泵浦光束被fe²⁺:znse晶體5后端面反射完成第二程泵浦，在此過程中，fe²⁺:znse晶體5吸收泵浦光束，fe²⁺:znse激光經(jīng)激光輸出鏡8輸出。

若泵浦程數(shù)為2m(m為大于等于2的整數(shù))，短脈沖激光泵浦源1輸出泵浦光束，泵浦光束由短脈沖激光泵浦源1輸出后經(jīng)第一聚焦全反射鏡2整形后射入fe²⁺:znse晶體5完成第一程泵浦，之后泵浦光束被fe²⁺:znse晶體5后端面反射完成第二程泵浦，在此過程中，fe²⁺:znse晶體5吸收泵浦光束，未被吸收的泵浦光束由fe²⁺:znse晶體5出射后射向一個第二聚焦全反射鏡3，調(diào)整第二聚焦全反射鏡3角度，使得泵浦光束再次反射回fe²⁺:znse晶體5完成第三程泵浦，之后泵浦光束被fe²⁺:znse晶體5后端面反射完成第四程泵浦，在此過程中，fe²⁺:znse晶體5吸收泵浦光束；若泵浦程數(shù)完成，光路結(jié)束，若泵浦程數(shù)未完成，未被吸收的泵浦光束由fe²⁺:znse晶體5出射后射向另一個第二聚焦全反射鏡3，繼續(xù)剩余泵浦程數(shù)，直至完成；fe²⁺:znse激光經(jīng)激光輸出鏡8輸出。