一种2μm和3μm双波长固体中红外激光器制造技术

本发明专利技术涉及一种2μm和3μm双波长固体中红外激光器，包括沿光路依次设置的泵浦激光器、准直聚焦系统、谐振腔和滤波片；所述谐振腔包括激光输入镜A、Ho

【技术实现步骤摘要】
一种2
μ
m和3
μ
m双波长固体中红外激光器


[0001]本专利技术涉及一种2μm和3μm双波长固体中红外激光器，属于固体中红外激光


技术介绍

[0002]2μm和3μm中红外激光在材料加工、气体探测、医疗诊断、精密测量、光电对抗等领域具有重要应用价值。聚合物塑料对2μm和3μm波长激光具有极强的本征吸收(吸收率超过80％)，使其在塑料激光焊接领域展现出巨大的应用潜力，无需制造吸收层的添加剂从而保证焊接质量，降低了成本，已经成功应用于医用塑料器具、白色家电塑料零件和汽车塑料零件的焊接。2μm和3μm波段激光位于水强吸收峰，使其在富水组织切割、消融以及辅助质量方面具有重要作用；水对3μm激光的吸收系数高达10
‑4cm
‑1，使其被相对较浅的富水软组织吸收，在不对周围区域产生热损伤的情况下实现精确切割，是外科精细手术的理想工具；水对2μm激光的吸收系数相对较低10
‑1cm
‑1，它穿透组织的深度比3μm激光要深，在凝血、止血方面具有重要应用；目前2μm和3μm中红外激光已经用于牙科、外科临床医疗。
[0003]当前产生2μm和3μm中红外激光技术手段主要分为两类：一是受激辐射跃迁直接发射，包括离子掺杂的固体或光纤激光器、半导体激光器等；另一类是非线性频率变换技术，包括拉曼、超连续谱、差频和OPO等。除了钬(Ho
3+
)离子掺杂光纤激光器，其他技术手段难以实现2μm和3μm中红外激光同时输出。当前，在Ho
3+
离子掺杂的氟化物光纤中已经实现了2μm和3μm双波长中红外激光级联输出。但是，国内稀土离子掺杂硫化物和氟化物光纤拉制工艺不成熟，尽管哈尔滨工程大学和吉林大学等研究单位已取得较大进展，但国际上仍然仅有法国LeVerreFluor
é
和日本的Fiberlabs公司能够提供商业化产品，价格十分昂贵，且部分产品对国内禁运；合束器、耦合器、隔离器、环形器、特别是锁模器件等中红外光纤功能器件发展尚不成熟、商业化水平低，且高质量氟化物光纤处理技术不完善、普及程度低，难以实现全光纤化；硫系和氟化物玻璃光纤比较脆弱、熔点低、易损伤、非线性效应强，难以实现高功率大能量2μm和3μm双波长中红外激光运转。因此，尽管Ho
3+
离子掺杂氟化物光纤的实现了2μm和3μm双波长中红外激光级联输出，但是核心光纤增益材料和功能元器件依赖进口，受制于人。
[0004]相比于中红外光纤材料，国内固体激光晶体生长制备技术国际领先，且激光晶体损伤阈值高、非线性效应弱、成本低，为进一步发展高功率大能量中红外2μm和3μm双波长激光技术提供了理想可靠的研究平台。截至目前为止，尚未有2μm和3μm双波长固体中红外激光同时输出的报道。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种2μm和3μm双波长固体中红外激光器，采用半导体激光器或光纤激光器泵浦Ho
3+
离子掺杂激光晶体，通过优化晶体掺杂浓度、基质材料选择、晶体长度等参数，可以实现2μm和3μm激光同时输出；此外，通过优化泵浦和谐振腔结
构，实现高功率、高效率、高光束质量的2μm和3μm激光同时输出，满足塑料激光焊接和激光医疗的要求。
[0006]本专利技术的技术方案为：
[0007]一种2μm和3μm双波长固体中红外激光器，包括沿光路依次设置的泵浦激光器、准直聚焦系统、谐振腔和滤波片A；所述谐振腔包括激光输入镜A、Ho
3+
离子掺杂激光晶体和激光输出镜A；
[0008]所述泵浦激光器为半导体激光器或光纤拉曼激光器，所述泵浦激光器的工作波长为1120
‑
1150nm；
[0009]所述Ho
3+
离子掺杂激光晶体为Ho
3+
离子掺杂氟化物晶体或Ho
3+
离子掺杂倍半氧化物晶体；
[0010]所述泵浦激光器输出的泵浦光经过所述准直聚焦系统准直后，泵浦光入射到所述谐振腔中，泵浦光经过所述激光输入镜A后入射到所述Ho
3+
离子掺杂激光晶体上，对所述Ho
3+
离子掺杂激光晶体进行泵浦，在所述谐振腔内形成光级联振荡，产生2μm和3μm中红外激光，并由所述激光输出镜A耦合输出；所述滤波片A滤掉剩余的泵浦光，同时输出2μm和3μm波长的中红外激光。
[0011]本专利技术提供的2μm和3μm双波长固体中红外激光器：如图1所示，参与2μm和3μm级联振荡过程包括基态吸收(GSA)、激发态吸收(ESA1、ESA2)、5I6→5I7和5I7→5I8受激辐射跃迁过程和能量上转换(ETU1、ETU2)、交叉弛豫(CR1、CR2)等非辐射跃迁过程。5I7能级是级联跃迁的中间能级，其粒子数主要来源于5I6→5I7跃迁、ESA1、ETU1和CR1、CR2的等过程的贡献。
[0012]在泵浦功率一定的情况下，当掺杂浓度较高时，ETU1过程占主要地位，会加速“排空”5
I7能级粒子数，同时叠加“浓度淬灭”效应，更有利于实现5I6和5I7能级间的粒子数反转，但难以同时实现5I7和5I8能级的粒子数反转，因此仅能够实现3μm激光发射；当掺杂浓度过低时，2.9μm跃迁激光上能级5I6寿命远小于激光下能级5I7，使其难以形成有效的反转粒子数维持激光振荡，存在所谓的“激光自终止”效应，仅能够实现2μm激光发射。因此，掺杂浓度过高和过低均难以实现2μm和3μm中红外激光同时发射。综合考虑辐射跃迁和非辐射跃迁过程、晶体掺杂浓度和长度等参数，2μm的单程增益系数G
2μm
和3μm的单程增益系数G
3μm
分别如式(I)和式(II)所示：
[0013]G
2μm
＝[τ2βσ
el2
+(τ2+τ3β)σ
al3
]P
a
/(A
×
hν
p
)
‑
Nσ
al2
L
ꢀꢀ
(I)
[0014]式(I)中，τ2为5I7能级荧光寿命，σ
el2
为2μm的受激发射截面，σ
al2
为2μm的受激吸收截面，β为5I6→5I7跃迁的荧光分支比，h为普朗克常数，ν
p
代表泵浦光频率，A指泵浦光面体，L是晶体长度，P
a
表示吸收泵浦功率，N表示系统初始粒子数；
[0015]G
3μm
＝[τ3σ
el3
‑
τ2β)σ
al3
]P
a
/(A
×
hν
p
)
ꢀꢀ
(II)
[0016]式(II)中，τ3为5I6能级荧光寿命，σ
el3
为3μm的受激发射截面，σ
al3
为3μm本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种2μm和3μm双波长固体中红外激光器，其特征在于，包括沿光路依次设置的泵浦激光器、准直聚焦系统、谐振腔和滤波片A；所述谐振腔包括激光输入镜A、Ho
3+
离子掺杂激光晶体和激光输出镜A；所述泵浦激光器为半导体激光器或光纤拉曼激光器，所述泵浦激光器的工作波长为1120
‑
1150nm；所述Ho
3+
离子掺杂激光晶体为Ho
3+
离子掺杂氟化物晶体或Ho
3+
离子掺杂倍半氧化物晶体；所述泵浦激光器输出的泵浦光经过所述准直聚焦系统准直后，泵浦光入射到所述谐振腔中，泵浦光经过所述激光输入镜A后入射到所述Ho
3+
离子掺杂激光晶体上，对所述Ho
3+
离子掺杂激光晶体进行泵浦，在所述谐振腔内形成光级联振荡，产生2μm和3μm中红外激光，并由所述激光输出镜A耦合输出；所述滤波片A滤掉剩余的泵浦光，同时输出2μm和3μm波长的中红外激光。2.根据权利要求1所述的一种2μm和3μm双波长固体中红外激光器，其特征在于，所述Ho
3+
离子掺杂激光晶体的掺杂浓度范围为0.5
‑
1.5at.％。3.根据权利要求1所述的一种2μm和3μm双波长固体中红外激光器，其特征在于，所述Ho
3+
离子掺杂氟化物晶体为Ho:YLiF4晶体、Ho:LuLiF4晶体、Ho:BaYF4晶体、Ho:CaF2晶体。4.根据权利要求1所述的一种2μm和3μm双波长固体中红外激光器，其特征在于，所述泵浦激光器为输出波长为1150nm的光纤拉曼激光器。5.根据权利要求1所述的一种2μm和3μm双波长固体中红外激光器，其特征在于，所述激光输入镜A镀有泵浦光增透膜、2μm和3μm波长的高反射膜；泵浦光增透膜对泵浦光的透过率大于95％，高反射膜对2μm和3μm波长的反射率大于99.8％；所述激光输出镜A上镀有2μm和3μm波长的部分透射膜，对2μm波长的透过率为10
‑
27％，对3μm波长的透过率为10
‑
38％。6.根据权利要求1所述的一种2μm和3μm双波长固体中红外激光器，其特征在于，所述谐振腔中还包括45
°
谐波镜、激光输出镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：张百涛，叶帅，周雪，聂鸿坤，李佳桐，何京良，
申请(专利权)人：山东铂锐激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：