大功率CW型中红外激光器制造技术

公开了一种具有旋转的环形增益元件的CW激光器。在多个位置对所述环进行泵浦，且激光器产生中IR输出。所述环的多个泵浦增益部分提供功率缩放的输出。增益部分可以被定位在单个谐振腔中、在多个谐振腔中、以及在具有关联的聚焦、转向和组合光学元件的MOPA架构中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】大功率CW型中红外激光器相关申请的交叉引用本申请要求于2016年2月12日递交的序列号为62/294,747的美国临时申请的优先权，通过引用将该申请并入本文。本申请涉及2016年3月23日递交的申请PCT/US2016/023778，其于2016年9月29日公布且公布号为WO2016154309A1，通过引用将该申请并入本文。
本专利技术涉及连续波(CW)中IR固态激光器。更具体地，涉及具有旋转的环形增益介质和改进输出特性的固态激光器。
技术介绍
各种防御相关的应用对在2-10m光谱范围内工作的中红外(中IR)激光源有很大的需求，所述防御相关的应用包括：自由空间通信、对抗、遥感以及工业过程控制和医疗应用。在基于掺有Cr和Fe的II-VI宽带半导体的光泵浦激光器方面的进展使得能够在1.9-5μm光谱范围内获取大输出功率。公开文献WO2016154309A1(此后称为’309)描述了这种使用传导冷却的旋转的环形增益介质来缩放功率的激光器系统。当环旋转时，泵辐射点遵循绕环的路径。泵浦是连续的，但是当环旋转时，由于环区域移入和移出泵浦光束，所以间歇性地对环区域进行泵浦。这种对介质的间歇性泵浦产生的功率效益类似于间歇性准CW(QCW)泵浦，但具有连续的大功率输出。因此，该激光器展示出纯的CW输出，其在2450nm的最大输出功率为27.5W且在2940nm的最大输出功率为13.9W，平均斜率效率分别为63.7％和37.4％。Cr2+：ZnS/Se激光器的功率缩放对于工业、医疗、材料加工和防御应用方面的各种应用而言是颇受关注的。为了成功应用这些中IR激光器，尤为重要的是在2940nm输出波长附近达到几十或几百瓦的输出功率，其中2940nm输出波长是大多数医疗应用所在的波长。在这些材料的增益最大值附近的输出波长(2.4μm)对于高产出尤其重要的材料加工应用(诸如，对聚合物的加工)而言也具有极大的吸引力。需要增加的功率缩放和波长选择性以满足中IR光谱内的医学应用和材料加工的需求。
技术实现思路
所公开的CW型中IR激光器满足上述铰接式需求，该CW型中IR激光器配置有旋转的环形增益介质并在环上多个位置进行泵浦以增大泵浦功率、分布增益和缩放输出功率。更具体地，在至少一个实施例中，本专利技术提供一种连续波(“CW”)中红外激光器，包括：谐振腔；增益介质，被形成为环，且更优选地，被形成为由内圆周表面、外圆周表面、第一面和第二面限定的环，所述增益介质具有第一非固定增益部分和第二非固定增益部分，所述第一非固定增益部分和第二非固定增益部分被定位在谐振腔内以提供中1R增益，且第一面和第二面之间的第二非固定增益部分被定位以提供补充的中IR增益；第一泵浦源；第二泵浦源；可旋转的安装结构，与所述环热接触；以及电机，耦接到可旋转的安装结构以使所述环绕轴线旋转。传送中穿过谐振腔的环的第一非固定增益部分接收足以在中IR光谱中发射CW激光束的泵浦光，并且传送中的环的第二非固定增益部分接收足以提供光学增益并增加中IR输出功率的泵浦光。在优选实施例中，增益介质是TM：II-VI，诸如，Cr：ZnS或Cr：ZnSe。在其他实施例中，本专利技术的CW激光器将具有一个或多个光学腔元件，用于压窄中IR输出的光谱线宽并且用于中IR输出波长选择。在其他实施例中，增益介质是复合堆叠的环形增益元件。在其他实施例中，第一非固定增益部分和第二非固定增益部分均在谐振腔中提供增益。在其他实施例中，第一非固定增益部分作为主振荡器提供增益，第二非固定增益部分对主振荡器的输出提供单程放大。在优选实施例中，谐振腔包括靠近所述环的第一面的腔镜和靠近所述环的第一面的输出耦合器。在其他实施例中，包括设置在靠近所述环的第二面的、用于将光路从第一增益部分重定向到第二增益部分的光学元件。在其他实施例中，包括用于将第一泵浦源和第二泵浦源各自聚焦到所述环的第一增益部分和第二增益部分的光学元件。在其他实施例中，包括一个或多个透镜元件，用于聚焦中IR光。在其他实施例中，第一非固定增益部分在第一谐振腔中提供增益，而第二非固定增益部分在第二谐振腔中提供增益。在其他实施例中，第一非固定增益部分提供第一输出，第二非固定增益部分提供第二输出，并且合束器将第一输出和第二输出组合成中IR输出。附图说明根据以下附图，将更清楚本公开的上述和其他方面、特征和优点，附图中：图1A提供了增益介质的透视图。图1B提供了增益介质环的平面视图。图1C是本专利技术的CW型中IR激光器的4透镜激光腔实施例的一个示例光学原理图。图2提供了本专利技术的CW型中IR激光器的4透镜激光腔实施例的视图。图3是本专利技术的CW型中IR激光器的主振荡器功率放大器(MOPA)的一个示例光学原理图。图4提供了本专利技术的CW型中IR激光器的MOPA实施例的视图。图5是本专利技术的CW型中IR激光器的双腔实施例的一个示例光学原理图。图6提供了本专利技术的CW型中IR激光器的波长选择器实施例的视图。图7提供了由图2的激光器产生的输入-输出曲线。图8提供了测量的由图2的激光器产生的输出光谱。图9提供了由图4的主振荡器产生的输入-输出曲线。图10提供了由图4的主振荡器产生的测量输出光谱。图11提供了由图4的MOPA产生的输入-输出曲线。图12提供了计算的图4的功率放大器的增益曲线。图13提供了由图6的波长选择器振荡器产生的输入-输出曲线。图14提供了测量的由图6的波长选择器振荡器产生的输出光谱。图15提供了在不同级别的总泵浦下的热衰减图。图16提供了本专利技术实施例的环形冷却系统的各种视图。图17提供了本专利技术实施例的改进的环形冷却系统的各种视图。图18提供了本专利技术实施例的复合堆叠的环形增益元件的一个视图。具体实施方式现在详细参考本专利技术的实施例。在有可能的情况下，附图和说明书中使用相同或相似的附图标记来表示相同或相似的部件或步骤。附图为简化形式，且不是按精确比例绘制的。除非明确说明，否则对于二极管激光器和光纤激光器领域的技术人员而言，说明书和权利要求中的词语和短语具有普遍和惯用的含义。词语“耦合”和类似术语并非必须表示直接的、紧邻的连接，还可以包括经由自由空间或中间元件进行的机械和光学的连接。本专利技术展示了Cr：ZnS和Cr：ZnSe激光器系统的功率缩放的重大进展。通过非常简单和可靠的激光器设计，在CW操作制式下实现了前所未有的亚kW(sub-kW)输出功率。由于这种前所未有的输出功率，本专利技术为基于铬的晶体激光器(“CL”)系统提供了广泛的机会以被应用于材料加工领域下的各种工业应用。下表1总结了本专利技术的几个实施例的结果。已经用灵活的光学系统架构实现了功率缩放，该架构提供多个泵浦源给环的相应增益部分。参考图1A、图1B和图1C，旋转的环形增益介质10是从增益环上的不同位置处的泵浦源11A、11B泵浦的。泵浦光透射穿过分色镜12A、12B，并且可以通过相应的准直透镜13A、13B进行校准，以有效地在增益部分15A、15B处的增益介质上形成泵浦点14A、14B。在至少一个实施例中，泵浦光入射在增益介质的第一侧16上。应当理解，泵浦光可以以不同的方式传播到所述环，所述不同方式如：作为透镜的补充或替代使用反射镜，在分色镜之前传播通过聚焦透镜，以及与端泵浦的激光器设计一致的交替泵浦场景。所述环安装在环形底座本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有中红外输出的连续波CW激光器，包括：谐振腔；增益介质，被形成为由内圆周表面、外圆周表面、第一面和第二面限定的环，所述增益介质具有第一非固定增益部分和第二非固定增益部分，所述第一非固定增益部分在第一面和第二面之间并被定位在谐振腔内以提供中红外增益，所述第二非固定增益部分在第一面和第二面之间并被定位以提供补充的中红外增益；第一泵浦源；第二泵浦源；可旋转的安装结构，与所述环热接触；以及电机，耦接到所述可旋转的安装结构以使所述环绕轴线旋转；以及其中传送中穿过谐振腔的环的第一非固定增益部分接收足以在中红外光谱中发射CW激光束的泵浦光，并且传送中的环的第二非固定增益部分接收足以提供光学增益并增加中红外输出功率的泵浦光。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.12 US 62/294,7471.一种具有中红外输出的连续波CW激光器，包括：谐振腔；增益介质，被形成为由内圆周表面、外圆周表面、第一面和第二面限定的环，所述增益介质具有第一非固定增益部分和第二非固定增益部分，所述第一非固定增益部分在第一面和第二面之间并被定位在谐振腔内以提供中红外增益，所述第二非固定增益部分在第一面和第二面之间并被定位以提供补充的中红外增益；第一泵浦源；第二泵浦源；可旋转的安装结构，与所述环热接触；以及电机，耦接到所述可旋转的安装结构以使所述环绕轴线旋转；以及其中传送中穿过谐振腔的环的第一非固定增益部分接收足以在中红外光谱中发射CW激光束的泵浦光，并且传送中的环的第二非固定增益部分接收足以提供光学增益并增加中红外输出功率的泵浦光。2.根据权利要求1所述的CW激光器，其中所述增益介质选自多晶过渡金属掺杂的II-VI材料TM∶II-VI。3.根据权利要求1所述的CW激光器，其中所述增益介质被特征化为Cr∶ZnSe。4.根据权利要求1所述的CW激光器，其中所述增益介质被特征化为Cr∶ZnS。5.根据权利要求1所述的CW激光器，还包括：至少一个光学腔元件，用于中红外输出波长选择。6.根据权利要求1所述的CW激光器，还包括：至少一个光学腔元...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊戈尔·莫斯卡廖夫，
申请(专利权)人：IPG光子公司，
类型：发明
国别省市：美国,US