CN103219642A - 室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置 - Google Patents

室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置 Download PDF

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鞠有伦
姚宝权
申英杰
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室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置，本发明涉及一种固体激光装置。本发明解决了现有单末端泵浦2微米激光器由于泵浦光吸收的均匀性低，而导致的激光器输出功率水平低的问题。本发明采用4个1.9微米激光发生装置、两个2微米全反射镜、F-P标准具、调Q晶体、输出耦合镜、4个隔离装置；1.9微米激光发生装置对2微米激光晶体进行双端泵浦，经过2微米激光晶体吸收后产生2微米和1.9微米的混合光束，再经2微米全反射镜对1.9微米光束透射，对2微米光束反射，经2微米全反射镜反射后的2微米光再经F-P标准具调谐后入射至调Q晶体，经调Q晶体调制后入射至输出耦合镜，经输出耦合镜耦合后输出。本发明适用于激光领域。

Description

室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置
技术领域
本发明涉及一种固体激光装置。
背景技术
2μm波段的激光应用广泛，涉及环境监测、红外遥感、医疗及光通信等方面，尤其是可以经非线性转换实现中红外3-5μm以及远红外8-12μm的激光输出。使用1.9μm激光作为泵浦源的单掺Ho固体激光器是室温条件下获得2μm激光的最佳技术途径。目前，单掺Ho激光器基本采用单晶体和单末端泵浦的结构，以达到结构紧凑、体积小巧的目的。但是，单末端泵浦方式降低了激光晶体对泵浦光吸收的均匀性，导致晶体内部热分布的不平衡，给激光器的高功率运转带来不良影响。再者，单个激光晶体所能承受的泵浦光功率有限，限制了更高泵浦功率的注入，导致单末端泵浦的固体激光器无法达到百瓦级的2微米激光输出。
发明内容
本发明为了解决现有单末端泵浦的2微米激光器由于泵浦光吸收的均匀性低，导致单端泵浦的固体激光器无法达到百瓦级的2微米激光输出，提出了室温条件下百瓦级2微米固体激光装置。
本发明所述室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置，该固体激光发生装置由一号1.9微米激光发生装置、一号隔离装置、一号2微米全反射镜、二号隔离装置、二号1.9微米激光发生装置、一号2微米激光晶体、二号2微米全反射镜、三号隔离装置、三号1.9微米激光发生装置、二号2微米激光晶体、三号2微米全反射镜、四号隔离装置、四号1.9微米激光发生装置、F-P标准具、调Q晶体和输出耦合镜组成；
一号1.9微米激光发生装置发射的1.9微米光束经一号隔离装置透射后入射至一号2微米全反射镜，经一号2微米全反射镜透射至一号2微米激光晶体，经一号2微米激光晶体吸收后产生2微米光束，该2微米光束入射至二号2微米全反射镜，经二号2微米全反射镜反射回一号2微米激光晶体，经一号2微米激光晶体透射后入射至一号2微米全反射镜，经一号2微米全反射镜反射至二号2微米激光晶体，经二号2微米激光晶体透射后入射至三号2微米全反射镜，经三号2微米全反射镜反射后入射至F-P标准具，经F-P标准具调谐后入射至调Q晶体；经调Q晶体调制后的2微米光束入射至耦合镜，经耦合镜耦合后输出；
二号1.9微米激光发生装置发射的1.9微米光束经二号隔离装置透射后入射至一号2微米全反射镜，经一号2微米全反射镜透射至二号2微米激光晶体，经二号2微米激光晶体吸收后产生2微米光束，该2微米光束入射至三号2微米全反射镜，经三号2微米全反射镜反射至F-P标准具，经F-P标准具调谐后入射至调Q晶体；经调Q晶体调制后的2微米光束经入射至耦合镜，经耦合镜耦合后输出；
三号1.9微米激光发生装置发射的1.9微米光束经三号隔离装置透射后入射至二号2微米全反射镜，经二号2微米全反射镜透射至一号2微米激光晶体，经一号2微米激光晶体吸收后产生2微米光束，该2微米光束入射至一号2微米全反射镜，经一号2微米全反射镜反射至二号2微米激光晶体，经二号2微米激光晶体透射后入射至三号2微米全反射镜，经三号2微米全反射镜反射至F-P标准具，经F-P标准具调谐后入射至调Q晶体；经调Q晶体调制后的2微米光束入射至耦合镜，经耦合镜耦合后输出；
四号1.9微米激光发生装置发射的1.9微米光束经四号隔离装置透射至三号2微米全反射镜，经三号2微米全反射镜透射至二号2微米激光晶体，经二号2微米激光晶体吸收后产生2微米光束，该2微米光束入射至一号2微米全反射镜，经一号2微米全反射镜反射至一号2微米激光晶体，经一号2微米激光晶体透射至二号2微米全反射镜，二号2微米全反射镜反射回一号2微米激光晶体，经一号2微米激光晶体透射后入射至一号2微米全反射镜，经一号2微米全反射镜反射至二号2微米激光晶体，经二号2微米激光晶体透射后入射至三号2微米全反射镜，经三号2微米全反射镜1反射后入射至F-P标准具，经F-P标准具调谐后入射至调Q晶体；经调Q晶体调制后的2微米光束经入射至耦合镜，经耦合镜耦合后输出；
一号1.9微米激光发生装置发射的1.9微米光束的起始时间、二号1.9微米激光发生装置发射的1.9微米光束的起始时间、三号1.9微米激光发生装置发射的1.9微米光束的起始时间和四号1.9微米激光发生装置发射的1.9微米光束的起始时间同步。
本发明采用腔内双晶体以及双末端泵浦结构，泵浦光吸收的均匀性同比提高20％以上，与现有单末端泵浦的激光器相比本发明所述激光发生装置输出功率水平在常温条件下达到百瓦级的2μm激光输出。
附图说明
图1是本发明所述的室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置，该固体激光发生装置由一号1.9微米激光发生装置1、一号隔离装置2、一号2微米全反射镜3、二号隔离装置4、二号1.9微米激光发生装置5、一号2微米激光晶体6、二号2微米全反射镜7、三号隔离装置8、三号1.9微米激光发生装置9、二号2微米激光晶体10、三号2微米全反射镜11、四号隔离装置12、四号1.9微米激光发生装置13、F-P标准具14、调Q晶体15和输出耦合镜16组成；
一号1.9微米激光发生装置1发射的1.9微米光束经一号隔离装置2透射后入射至一号2微米全反射镜3，经一号2微米全反射镜3透射至一号2微米激光晶体6，经一号2微米激光晶体6吸收后产生2微米光束，该2微米光束入射至二号2微米全反射镜7，经二号2微米全反射镜7反射回一号2微米激光晶体6，经一号2微米激光晶体6透射后入射至一号2微米全反射镜3，经一号2微米全反射镜3反射至二号2微米激光晶体10，经二号2微米激光晶体10透射后入射至三号2微米全反射镜11，经三号2微米全反射镜11反射后入射至F-P标准具14，经F-P标准具14调谐后入射至调Q晶体15；经调Q晶体15调制后的2微米光束入射至耦合镜16，经耦合镜16耦合后输出；
二号1.9微米激光发生装置5发射的1.9微米光束经二号隔离装置4透射后入射至一号2微米全反射镜3，经一号2微米全反射镜3透射至二号2微米激光晶体10，经二号2微米激光晶体10吸收后产生2微米光束，该2微米光束入射至三号2微米全反射镜11，经三号2微米全反射镜11反射至F-P标准具14，经F-P标准具14调谐后入射至调Q晶体15；经调Q晶体15调制后的2微米光束经入射至耦合镜16，经耦合镜16耦合后输出；
三号1.9微米激光发生装置9发射的1.9微米光束经三号隔离装置8透射后入射至二号2微米全反射镜7，经二号2微米全反射镜7透射至一号2微米激光晶体6，经一号2微米激光晶体6吸收后产生2微米光束，该2微米光束入射至一号2微米全反射镜3，经一号2微米全反射镜3反射至二号2微米激光晶体10，经二号2微米激光晶体10透射后入射至三号2微米全反射镜11，经三号2微米全反射镜11反射至F-P标准具14，经F-P标准具14调谐后入射至调Q晶体15；经调Q晶体15调制后的2微米光束入射至耦合镜16，经耦合镜16耦合后输出；
四号1.9微米激光发生装置13发射的1.9微米光束经四号隔离装置12透射至三号2微米全反射镜11，经三号2微米全反射镜11透射至二号2微米激光晶体10，经二号2微米激光晶体10吸收后产生2微米光束，该2微米光束入射至一号2微米全反射镜3，经一号2微米全反射镜3反射至一号2微米激光晶体6，经一号2微米激光晶体6透射至二号2微米全反射镜7，二号2微米全反射镜7反射回一号2微米激光晶体6，经一号2微米激光晶体6透射后入射至一号2微米全反射镜3，经一号2微米全反射镜3反射至二号2微米激光晶体10，经二号2微米激光晶体10透射后入射至三号2微米全反射镜11，经三号2微米全反射镜11反射后入射至F-P标准具14，经F-P标准具14调谐后入射至调Q晶体15；经调Q晶体15调制后的2微米光束经入射至耦合镜16，经耦合镜16耦合后输出；
一号1.9微米激光发生装置1发射的1.9微米光束的起始时间、二号1.9微米激光发生装置5发射的1.9微米光束的起始时间、三号1.9微米激光发生装置9发射的1.9微米光束的起始时间和四号1.9微米激光发生装置13发射的1.9微米光束的起始时间同步。
具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一所述的高光束质量百瓦级2微米固体激光发生装置作进一步说明，所述一号隔离装置2、二号隔离装置4、三号隔离装置8和四号隔离装置12为光隔离器。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置作进一步说明，所述一号隔离装置2、二号隔离装置4、三号隔离装置8和四号隔离装置12为偏振片。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一、具体实施方式二或具体实施方式三所述的室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置作进一步说明，所述调Q晶体15为声光调Q晶体。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一具体实施方式二或具体实施方式三所述的室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置作进一步说明，所述调Q晶体15为电光调Q晶体。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一、具体实施方式二或具体实施方式三所述的室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置作进一步说明，所述调谐F-P标准具14的厚度为0.1mm。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一、具体实施方式二或具体实施方式三所述的室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置作进一步说明，所述调谐F-P标准具14的材料为YAG。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一、具体实施方式二或具体实施方式三所述的室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置作进一步说明，所述调谐F-P标准具14的材料为石英。
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式六所述的室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置作进一步说明，所述一号2微米激光晶体6和二号2微米激光晶体10均为单掺Ho晶体。
本实施方式选用单掺Ho晶体作为激光增益介质，单掺Ho晶体在1.9μm波段有强吸收峰，因此选用与Ho晶体吸收峰相匹配的1.9μm激光作为单掺Ho激光器的泵浦源，谐振腔结构为折叠腔，腔内折叠串联两块Ho晶体，每个Ho晶体都有两个1.9μm激光对其双末端泵浦，大幅提高1.9μm激光的注入功率，改善晶体内部的热分布，从而实现高光束质量的高功率2μm激光输出。
具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式九所述的室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置作进一步说明，单掺Ho晶体的Ho3+浓度为0.8％，单掺Ho晶体的长度60mm。
当向掺Ho晶体注入泵浦激光的功率为180W时，输出获得114W稳定的2μm激光输出，激光器光光转换效率达到63.5％。调Q晶体重复频率为50kHz时，获得平均功率为111W的脉冲输出激光，最大输出功率水平下的光束质量因子M2值约为1.9。

Claims (10)

1.室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置，其特征在于，该固体激光发生装置由一号1.9微米激光发生装置(1)、一号隔离装置(2)、一号2微米全反射镜(3)、二号隔离装置(4)、二号1.9微米激光发生装置(5)、一号2微米激光晶体(6)、二号2微米全反射镜(7)、三号隔离装置(8)、三号1.9微米激光发生装置(9)、二号2微米激光晶体(10)、三号2微米全反射镜(11)、四号隔离装置(12)、四号1.9微米激光发生装置(13)、F-P标准具(14)、调Q晶体(15)和输出耦合镜(16)组成；
一号1.9微米激光发生装置(1)发射的1.9微米光束经一号隔离装置(2)透射后入射至一号2微米全反射镜(3)，经一号2微米全反射镜(3)透射至一号2微米激光晶体(6)，经一号2微米激光晶体(6)吸收后产生2微米光束，该2微米光束入射至二号2微米全反射镜(7)，经二号2微米全反射镜(7)反射回一号2微米激光晶体(6)，经一号2微米激光晶体(6)透射后入射至一号2微米全反射镜(3)，经一号2微米全反射镜(3)反射至二号2微米激光晶体(10)，经二号2微米激光晶体(10)透射后入射至三号2微米全反射镜(11)，经三号2微米全反射镜(11)反射后入射至F-P标准具(14)，经F-P标准具(14)调谐后入射至调Q晶体(15)；经调Q晶体(15)调制后的2微米光束入射至耦合镜(16)，经耦合镜(16)耦合后输出；
二号1.9微米激光发生装置(5)发射的1.9微米光束经二号隔离装置(4)透射后入射至一号2微米全反射镜(3)，经一号2微米全反射镜(3)透射至二号2微米激光晶体(10)，经二号2微米激光晶体(10)吸收后产生2微米光束，该2微米光束入射至三号2微米全反射镜(11)，经三号2微米全反射镜(11)反射至F-P标准具(14)，经F-P标准具(14)调谐后入射至调Q晶体(15)；经调Q晶体(15)调制后的2微米光束经入射至耦合镜(16)，经耦合镜(16)耦合后输出；
三号1.9微米激光发生装置(9)发射的1.9微米光束经三号隔离装置(8)透射后入射至二号2微米全反射镜(7)，经二号2微米全反射镜(7)透射至一号2微米激光晶体(6)，经一号2微米激光晶体(6)吸收后产生2微米光束，该2微米光束入射至一号2微米全反射镜(3)，经一号2微米全反射镜(3)反射至二号2微米激光晶体(10)，经二号2微米激光晶体(10)透射后入射至三号2微米全反射镜(11)，经三号2微米全反射镜(11)反射至F-P标准具(14)，经F-P标准具(14)调谐后入射至调Q晶体(15)；经调Q晶体(15)调制后的2微米光束入射至耦合镜(16)，经耦合镜(16)耦合后输出；
四号1.9微米激光发生装置(13)发射的1.9微米光束经四号隔离装置(12)透射至三号2微米全反射镜(11)，经三号2微米全反射镜(11)透射至二号2微米激光晶体(10)，经二号2微米激光晶体(10)吸收后产生2微米光束，该2微米光束入射至一号2微米全反射镜(3)，经一号2微米全反射镜(3)反射至一号2微米激光晶体(6)，经一号2微米激光晶体(6)透射至二号2微米全反射镜(7)，二号2微米全反射镜(7)反射回一号2微米激光晶体(6)，经一号2微米激光晶体(6)透射后入射至一号2微米全反射镜(3)，经一号2微米全反射镜(3)反射至二号2微米激光晶体(10)，经二号2微米激光晶体(10)透射后入射至三号2微米全反射镜(11)，经三号2微米全反射镜(11)反射后入射至F-P标准具(14)，经F-P标准具(14)调谐后入射至调Q晶体(15)；经调Q晶体(15)调制后的2微米光束经入射至耦合镜(16)，经耦合镜(16)耦合后输出；
一号1.9微米激光发生装置(1)发射的1.9微米光束的起始时间、二号1.9微米激光发生装置(5)发射的1.9微米光束的起始时间、三号1.9微米激光发生装置(9)发射的1.9微米光束的起始时间和四号1.9微米激光发生装置(13)发射的1.9微米光束的起始时间同步。
2.根据权利要求1所述的室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置，其特征在于，所述一号隔离装置(2)、二号隔离装置(4)、三号隔离装置(8)和四号隔离装置(12)为光隔离器。
3.根据权利要求1所述的室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置，其特征在于，所述一号隔离装置(2)、二号隔离装置(4)、三号隔离装置(8)和四号隔离装置(12)为偏振片。
4.根据权利要求1、2或3所述的室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置，其特征在于，所述调Q晶体(15)为声光调Q晶体。
5.根据权利要求1、2或3所述的室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置，其特征在于，所述调Q晶体(15)为电光调Q晶体。
6.根据权利要求1、2或3所述的室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置，其特征在于，所述调谐F-P标准具(14)的厚度为0.1mm。
7.根据权利要求1、2或3所述的室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置，其特征在于，所述调谐F-P标准具(14)的材料为YAG。
8.根据权利要求1、2或3所述的室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置，其特征在于，所述调谐F-P标准具(14)的材料为石英。
9.根据权利要求6所述的室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置，其特征在于，所述一号2微米激光晶体(6)和二号2微米激光晶体(10)均为单掺Ho晶体。
10.根据权利要求7所述的室温条件下百瓦级2微米固体激光发生装置，其特征在于，单掺Ho晶体的的Ho3+浓度为0.8at.％，掺Ho晶体的长度60mm。
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