CN102570268A - 中红外激光器 - Google Patents

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徐林
周军
陈卫标
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Abstract

一种中红外激光器，其特征是利用波长为790nm的半导体激光器泵浦Tm:YLF晶体得到1.9μm激光，通过声光调Q的方式产生脉冲输出的1.9μm激光。在Tm:YLF激光器中加入两个未镀介质膜的石英标准具使输出的1.9μm激光光谱宽度变窄达到小于1nm，并使输出激光稳定在中心波长为1907.5nm处，能避开大气中水分子对该波长的吸收，将此激光器作为泵浦源，泵浦MgO:PPLN晶体，通过光学参量振荡的方式得到波长在3～5μm的中红外激光稳定的输出。本发明具有结构简单，转换效率高，调谐性好等特点。

Description

中红外激光器
技术领域
本发明涉及中红外激光技术领域，具体设计了一种中红外激光器。
背景技术
80年代末，透明范围宽、损伤阈值高、有合适匹配角的双折射非线性晶体β相偏硼酸钡晶体(β-BaB2O4，以下简称为BBO)，磷酸钛氧钾(Potassium Titanyl Phosphate，以下简称为KTP)及稳定可靠的钇铝石榴石晶体(简称Nd:YAG)激光泵浦源的出现，使得从可见到近红外波段的光学参量振荡器(Optical Parametric Oscillator，以下简称OPO)技术发展较快，逐渐趋向于实用化。从90年代中期开始，非线性系数大、透明范围扩展到中红外至远红外的优质非线性晶体硫镓银(Silver Gallium Sulfide，以下简称AgGaS2)和磷锗锌(Zinc germanium phosphide，以下简称ZnGeP2)生长工艺的改进(减小晶体在泵浦波长的吸收，提高损伤阈值)，促进了中红外双折射相位匹配OPO的发展；以掺氧化镁周期极化铌酸锂晶体(MgO doped periodically poled lithiumniobate，以下简称MgO:PPLN)为代表的准相位匹配OPO，在低峰值功率、高重复频率、连续波相干输出方面发展迅速。
在中红外激光方面，ZnGeP2因其高的非线性系数、良好的机械性能和热导率，一直受到研究者的关注。但是由于ZnGeP2晶体对波长小于2μm的激光有较强的吸收，导致在其作为非线性晶体OPO时只能采用波长大于2μm的激光器作为泵浦源。目前大家比较认可的是钬(Ho)离子，其发射波长为2～2.1μm。然而没有商用半导体激光器可以直接泵浦Ho离子，只能通过半导体激光器泵浦铥(Tm)离子，再由Tm敏化或通过能量转移的方式泵浦Ho离子，导致增加了整个***的复杂性，同时降低了总的效率。另外ZnGeP2 OPO只能通过双折射相位匹配方式实现，限制了晶体长度，最长不超过20mm，从而也限制了其发展。
MgO:PPLN因其周期极化结构能通过准相位匹配方式实现OPO，而被广泛应用在中红外激光技术方面。目前应用较多的是采用1μm激光器作为泵浦源，通过合理选用晶体的极化周期，实现准相位匹配OPO。虽然此种方式的OPO产生的空闲光波长在3μm附近，但其伴随产生的信号光波长却在1.5μm左右，这样信号光就不是最终想得到的中红外激光，从根本上限制了转换效率。目前从1μm激光转换为3μm的中红外激光的最高效率为17％。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种中红外激光器，该激光器是利用1.9μm Tm激光器直接泵浦MgO:PPLN的激光器，具有结构简单，效率高的特点，易于推广使用。
本发明的技术解决方案如下：
一种中红外激光器，包括半导体激光器，沿该半导体激光器的激光输出方向依次是光束整形及耦合***、输入腔镜、激光晶体、声光调Q开关、输出腔镜、滤波片、隔离器、半波片、聚焦透镜、OPO入射腔镜、非线性晶体和OPO输出腔镜，其特征在于：
所述的激光晶体为Tm:YLF晶体，所述的输入腔镜为平面镜且两面镀有对790nm光高透，对1907nm光高反的介质膜，所述的输出腔镜为凹面镜，其凹面镀有对1907nm部分反射的介质膜，在所述的输入腔镜和所述的输出腔镜之间设有厚标准具和薄标准具，所述的光束整形及耦合***将半导体激光器输出的激光光束聚焦在所述的Tm:YLF晶体内部，所述的非线性晶体是掺MgO的PPLN，该MgO的PPLN的中心位于所述的聚焦透镜的焦点上。
所述的Tm:YLF晶体中的Tm离子的掺杂浓度的原子数比为2～3.5％，其两端都镀有对1907nm的高透介质膜；所述的Tm:YLF晶体在工作时通过铜块传导冷却的方式控制温度为16℃，所述的声光Q开关两端面镀有对1907nm的高透介质膜，且在1907nm波长的衍射损耗为不低于55％。
所述的厚标准具为不镀膜且厚度为1mm的石英平片，所述的薄标准具为不镀膜且厚度为0.1mm的石英平片。所述的厚标准具(106)和薄标准具(107)具有旋转机构，通过旋转厚标准具和薄标准具在激光腔内的角度可以得到中心波长为1907.5nm，光谱宽度小于1nm的激光输出。
所述的隔离器对1907nm激光的隔离度不小于20dB，所述的滤波片对1907nm激光高透，对790nm激光高反。
所述的旋转半波片具有旋转机构，可以改变出射的线偏振的1907.5nm激光的偏振方向。
所述的聚焦透镜对1907.5nm激光高透。
所述的掺MgO的PPLN中MgO的浓度为5％，且极化周期均匀分布，所述的OPO入射腔镜对1.9μm激光高透，对3～5μm激光高反；所述的OPO输出腔镜对1.9μm激光高反，对3～5μm激光部分透过。
本发明的技术效果：
1、本发明中，通过利用半导体激光器泵浦激光晶体，通过声光调Q的方式得到脉冲方式的宽光谱激光输出。
2、在所述的声光调Q开关和所述的输出腔镜之间设有厚标准具和薄标准具，将输出激光的波长限定稳定，并将光谱宽度压缩到小于1nm。用此脉冲激光作为泵浦源，选用周期极化的晶体作为非线性晶体，通过合理选用晶体的极化周期，采用准相位匹配的方式实现OPO。
3、通过选用泵浦波长为1.9μm，此OPO产生的信号光和空闲光的波长都在中红外波段，即有效利用了双谐振OPO的优点，提高激光的转换效率。同时也结合了准相位匹配的优势，通过对非线性晶体进行温度控制即可实现对输出的中红外激光的波长进行调节。
4、本发明中红外激光器能避开大气中是水分子对该波长的吸收，将此激光器作为泵浦源，泵浦MgO:PPLN晶体，通过光学参量振荡的方式得到波长在3～5μm的中红外激光稳定的输出。本发明具有结构简单，转换效率高，调谐性好等特点。
附图说明
图1是本发明中红外激光器实施例的结构示意图。
图2是本发明中红外激光器的发射的激光光谱图
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的包含范围。
先请参阅图1，图1是本发明中红外激光器实施例的结构示意图。由图可见，本发明中红外激光器，包括半导体激光器101，沿该半导体激光器101的激光输出方向依次是光束整形及耦合***102、输入腔镜103、激光晶体104、声光调Q开关105、厚标准具106、薄标准具107、输出腔镜108、滤波片109、隔离器110、半波片111、聚焦透镜112、OPO入射腔镜113、掺MgO的PPLN114和OPO输出腔镜(115)，其特点在于：
所述的激光晶体104为Tm:YLF晶体，所述的输入腔镜103为平面镜且两面镀有对790nm光高透，对1907nm光高反的介质膜，所述的输出腔镜108为凹面镜，其凹面镀有对1907nm部分反射的介质膜，其反射率10％～40％，所述的光束整形及耦合***102将半导体激光器101输出的激光光束聚焦在所述的Tm:YLF晶体104内部，所述的掺MgO的PPLN114的中心位于所述的聚焦透镜112的焦点上。
所述的Tm:YLF晶体104中的Tm离子的掺杂浓度的原子数比为2～3.5％，其两端都镀有对1907nm的高透介质膜；所述的Tm:YLF晶体104在工作时通过铜块传导冷却的方式控制温度为16℃，所述的声光Q开关105两端面镀有对1907nm的高透介质膜，且在1907nm波长的衍射损耗为不低于55％。
所述的厚标准具106为不镀膜且厚度为1mm的石英平片，所述的薄标准具107为不镀膜且厚度为0.1mm的石英平片，所述的厚标准具106和薄标准具107都具有旋转机构。
所述的隔离器110对1907nm激光的隔离度不小于20dB，所述的滤波片109对1907nm激光高透，对790nm激光高反。所述的半波片111具有旋转机构，可以改变出射的线偏振的1907.5nm激光的偏振方向。所述的聚焦透镜112对1907.5nm激光高透，并且将此激光聚焦至直径为150μm的光斑。
所述的掺MgO的PPLN114中MgO的浓度为5％，且极化周期均匀分布，为30.5μm，所述的OPO入射腔镜113对1.9μm激光高透，对3～5μm激光高反；所述的OPO输出腔镜115对1.9μm激光高反，对3～5μm激光部分透过。
中红外激光器，包括半导体激光器101、光束整形及耦合***102、输入腔镜103、激光晶体104、声光调Q开关105、厚标准具106、薄标准具107、输出腔镜108、滤波片109、隔离器110、半波片111、聚焦透镜112、OPO输入腔镜113、非线性晶体114和OPO输出腔镜115。所述的输入腔镜103对半导体激光器101输出的波长高透，对激光晶体的发射波长高反。
本实施例中：半导体泵浦源101出射的激光设定为波长为790nm。激光晶体104选用为掺杂浓度原子数比为2％的Tm:YLF。光束整形及耦合***102将半导体泵浦源101出射的激光焦距在Tm:YLF晶体104的中心，且光斑直径为800μm。厚标准具106为1mm，薄标准具107为0.1mm。输出腔镜108的曲率半径为600mm，对1.9μm激光的透过率为20％。聚焦透镜112为焦距为80mm的平凸透镜。非线性晶体掺114为MgO:PPLN且极化周期为30.5μm，且其中心放置在聚焦透镜112的焦点处。OPO输出腔镜115在3.8μm处的透过率为50％。
当声光调Q开关105的重复频率设为2kHz，半导体激光器101的输出功率为24W时，得到的中红外激光光谱如图2所示。

Claims (7)

1.一种中红外激光器，包括半导体激光器(101)，沿该半导体激光器(101)的激光输出方向依次是光束整形及耦合***(102)、输入腔镜(103)、激光晶体(104)、声光调Q开关(105)、输出腔镜(108)、滤波片(109)、隔离器(110)、半波片(111)、聚焦透镜(112)、OPO入射腔镜(113)、非线性晶体(114)和OPO输出腔镜(115)，其特征在于：
所述的激光晶体(104)为Tm:YLF晶体，所述的输入腔镜(103)为平面镜且两面镀有对790nm光高透，对1907nm光高反的介质膜，所述的输出腔镜(108)为凹面镜，其凹面镀有对1907nm部分反射的介质膜，在所述的输入腔镜(103)和所述的输出腔镜(108)之间设有厚标准具(106)和薄标准具(107)，所述的光束整形及耦合***(102)将半导体激光器(101)输出的激光光束聚焦在所述的Tm:YLF晶体(104)内部，所述的非线性晶体(114)是掺MgO的PPLN，该MgO的PPLN的中心位于所述的聚焦透镜(112)的焦点上。
2.根据权利要求1所述的中红外激光器，其特征在于所述的Tm:YLF晶体(104)中的Tm离子的掺杂浓度的原子数比为2～3.5％，其两端都镀有对1907nm的高透介质膜；所述的Tm:YLF晶体(104)在工作时通过铜块传导冷却的方式控制温度为16℃，所述的声光Q开关(105)两端面镀有对1907nm的高透介质膜，且在1907nm波长的衍射损耗为不低于55％。
3.根据权利要求1所述的中红外激光器，其特征在于所述的厚标准具(106)为不镀膜且厚度为1mm的石英平片，所述的薄标准具(107)为不镀膜且厚度为0.1mm的石英平片，所述的厚标准具(106)和薄标准具(107)具有旋转机构。
4.根据权利要求1所述的中红外激光器，其特征在于所述的隔离器(110)对1907nm激光的隔离度不小于20dB，所述的滤波片(109)对1907nm激光高透，对790nm激光高反。
5.根据权利要求1所述的中红外激光器，其特征在于所述的旋转半波片(111)具有旋转机构，可以改变出射的线偏振的1907.5nm激光的偏振方向。
6.根据权利要求1所述的中红外激光器，其特征在于所述的聚焦透镜(112)对1907.5nm激光高透。
7.根据权利要求1至6任一项所述的中红外激光器，其特征在于所述的掺MgO的PPLN(114)中MgO的浓度为5％，且极化周期均匀分布，所述的OPO入射腔镜(113)对1.9μm激光高透，对3～5μm激光高反；所述的OPO输出腔镜(115)对1.9μm激光高反，对3～5μm激光部分透过。
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