CN108306168B

CN108306168B - 一种钬激光器

Info

Publication number: CN108306168B
Application number: CN201810124981.9A
Authority: CN
Inventors: 黄海洲; 林文雄; 黄见洪; 翁文; 李锦辉; 郑晖; 陈金明; 戴殊韬
Original assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Current assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Priority date: 2018-02-07
Filing date: 2018-02-07
Publication date: 2019-07-30
Anticipated expiration: 2038-02-07
Also published as: CN108306168A

Abstract

本发明涉及一种钬激光器，包括：泵浦模块、增益介质模块和激光谐振腔模块；其中，泵浦模块包括半导体激光器、多模光纤和准直聚焦模块；激光谐振腔模块包括前腔镜和后腔镜，后腔镜作为耦合输出镜；增益介质模块位于前腔镜和后腔镜之间；半导体激光器激发出的半导体泵浦光，经多模光纤后，输出到准直聚焦模块，准直聚焦模块输出的光经前腔镜入射到增益介质模块产生钬激光，经后腔镜输出。本发明提出的钬激光器具有整体能量转换效率更高、结构更加紧凑、造价更加低廉、实现方式更加方便等特点。

Description

一种钬激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种钬激光器。

背景技术

人眼安全稀土钬(Ho)离子掺杂固态激光器的激光波长(2.05～2.2μm)位于大气窗口和分子指纹波段，可以被大量分子(H₂O、N₂O和CO₂)共振吸收，在国防安全、环境监测以及生物医疗等领域有着广泛的应用价值和前景。同时，长于2.1μm的激光波长远离非线性光学晶体磷锗锌(ZGP)和OP:GaAs在2μm附近的截止吸收边，有利于实现高能量/功率的中红外3～5μm激光输出。相对于钬光纤激光器，全固态钬激光器避免了光纤介质中严重的非线性效应，能够实现高脉冲能量和峰值功率的2.1μm激光输出，容易达到上述非线性晶体的功率/能量阈值要求。目前，全固态钬激光器的实现方式有：砷化镓铝半导体激光器(LD)(波长在750nm～810nm)泵浦铥(Tm)离子敏化的Tm:Ho共掺激光器；1.9μm激光泵浦单掺杂钬激光器以及铥激光器腔内共振泵浦的钬激光器。

由于Ho离子在800nm波段附近没有吸收带，无法利用高度成熟的砷化镓铝LD，传统上需要将Ho离子和Tm离子共同掺杂在同一增益介质中来实现钬激光输出，旨在利用Tm离子在800nm波段的吸收峰。但这类激光器存在严重的合作上转换损耗，在室温下只有数毫瓦的激光输出，甚至不出光。因此，大功率钬激光输出需要对共掺增益介质进行液氮制冷，严重影响了Tm:Ho共掺激光器的实用性。近20年来，使用1.9μm激光对单掺Ho增益介质进行共振泵浦得到了广泛的研究。1.9μm泵浦源可以是掺Tm光纤激光器、掺Tm全固态激光器以及1.9μm半导体激光器。1.9μm掺铥激光器，尤其是掺铥光纤激光器具有极好的光束质量，能够更好地匹配谐振腔内钬激光的模场分布，实现高效率的钬激光输出。然而，这是一种级联泵浦结构，即800nm半导体泵浦掺Tm增益介质产生1.9μm激光，再共振泵浦掺Ho增益介质，使得整个***十分笨重，从半导体激光到最终钬激光的光光转换效率低下。相比之下，1.9μm LD泵浦钬激光的结构更加紧凑，目前可以实现30％～40％的光光转换效率。但是，1.9μm LD的造价昂贵，单个bar条的价格比传统800nm LD的要高一个数量级，而且具有宽达15nm的发射谱，不利于匹配掺钬增益介质3～5nm宽的吸收峰。进一步，当前1.9μm LD的宽发射谱，会随着半导体驱动电流和工作温度的变化而显著飘移，不利于被增益介质有效吸收而转换为钬激光输出。以1.9μm激光进行共振泵浦属于腔外泵浦方式，没有被吸收的1.9μm光子将白白地泄露到腔外，造成泵浦能量的浪费。另一种既能避免能量泄露问题又能直接利用800nm半导体的钬激光实现方式为腔内共振泵浦，即在钬激光器的谐振腔内放入掺Tm增益介质，利用800nm LD产生1.9～2.02μm的铥激光，并将铥激光锁在谐振腔内，来对掺Ho增益介质进行泵浦。这类激光器实现了近30％的从800nm泵浦光到钬激光的光光转换效率，与1.9μm LD泵浦钬激光器相当。但由于各增益介质中严重的热透镜效应，高输出功率下(＞5W)的激光光束质量不佳(M²>2)。这种实现方式需要将掺Tm和掺Ho增益介质分别放置在冷却铜块中进行冷却控温，而且要求两块增益介质做到严格准直来实现腔内共振，增加了***的复杂性和实现难度。

发明内容

为了解决现有的全固态钬激光器存在的上述光光转换效率较低等技术问题，本发明提供一种钬激光器，技术方案如下：

一种钬激光器，包括：泵浦模块、增益介质模块和激光谐振腔模块；

其中，泵浦模块包括半导体激光器、多模光纤和准直聚焦模块；

激光谐振腔模块包括前腔镜和后腔镜，后腔镜作为耦合输出镜；

增益介质模块位于前腔镜和后腔镜之间；

半导体激光器激发出的半导体泵浦光，经多模光纤后，输出到准直聚焦模块，准直聚焦模块输出的光经前腔镜入射到增益介质模块产生钬激光，经后腔镜输出。

进一步地，所述增益介质模块中的增益介质为掺铥增益介质和掺钬增益介质进行复合的单块复合增益介质。

进一步地，所述增益介质模块还包括冷却铜块，冷却铜块夹设所述增益介质；冷却铜块上设置多个水嘴，多个水嘴均与冷却铜块夹设增益介质的腔体相通，并与外置的控温水箱组成增益介质的水冷回路，冷却水温度控制在5～30℃。

进一步地，在掺铥增益介质前端面、掺钬增益介质的后端面或掺铥增益介质的后端面与掺钬增益介质的前端面之间，复合上无稀土离子掺杂的介质。

进一步地，掺铥增益介质与掺钬增益介质利用玻璃、晶体或透明陶瓷生长技术进行变浓度掺杂。

进一步地，所述半导体激光器为输出波长在800nm附近的半导体激光器；多模光纤为SMA接口，芯径为400微米，数值孔径为0.22；准直聚焦模块是由两片平凸透镜构成的成像***，焦距在30～50mm范围内。

进一步地，多模光纤的输出端接口与构成准直聚焦模块的两片平凸透镜一同封装在一个铝材料镜筒中，封装时，确保多模光纤的输出端接口与铝材料镜筒的输入端连接上时，多模光纤的输入端的端面与准直聚焦模块的第一片平凸透镜入射面的距离，等于第一片平凸透镜的后焦距，用以保证入射第一片平凸透镜后的半导体泵浦光得到准直，其中第一片平凸透镜为两片平凸透镜中靠近多模光纤的平凸透镜。

进一步地，激光谐振腔模块中的谐振腔为满足钬激光增益条件，使增益介质的热效应在谐振腔稳定区范围内，能够从增益介质中实现钬激光输出的任何一种谐振腔。

进一步地，激光谐振腔模块包括的前腔镜和后腔镜采用平凹腔结构，后腔镜的曲率在50～1000mm之间，激光谐振腔模块的腔长在25～80mm之间；前腔镜为镀有对铥激光和钬激光输出波段的高反并且对半导体泵浦波段增透的膜层，后腔镜对2.05～2.2μm波段的钬激光的耦合透过率在2～30％之间。

进一步地，激光谐振腔模块采用L型腔结构，所述钬激光器还包括45°镜，45°镜设置在准直聚焦模块和前腔镜之间，用以将准直聚焦模块输出的泵浦光耦合进增益介质模块，并将前腔镜反射的铥激光和钬激光折转入射增益介质模块。

本发明的有益效果：

本发明提供的钬激光器，通过复合晶体技术，利用成熟的800nm半导体激光器在室温下从单块增益介质中实现大功率钬激光的高效输出，具有整体能量转换效率更高、结构更加紧凑、造价更加低廉、实现方式更加方便等特点。本发明首次提出了集成掺Tm和掺Ho增益介质于同一块增益介质以利用800nm LD的钬激光器实现方式，实现了785nm半导体激光泵浦下6W的钬激光输出，将其光光转换效率为35％，与当前1.9μm半导体激光器共振泵浦钬激光器的转换效率相当，6W输出功率时的光束质量M²<2。

本发明提出的钬激光器可以在室温下，通过常规800nm LD从单块增益介质中实现大功率钬激光的高效输出，光束质量优于腔内泵浦钬激光器。论证实验中的输出功率在6W左右，光光转换效率与1.9μm LD泵浦钬激光器相当，并可以通过增加泵浦功率而继续放大输出功率。

本发明提出的钬激光器整套***的结构紧凑、稳定和小型化，可以在现有的任何稳定谐振腔结构上实现激光运转，一般腔长在3-8cm范围内。本发明还可以调控耦合输出镜在铥激光和钬激光波段的透过率特性，根据需要实现铥激光和钬激光同时振荡的双波长输出。

相对于以往的钬激光实现方式，本发明提出的钬激光器的实现方式更为便捷，实现成本更为经济，避免了Tm和Ho共掺机制需要液氮冷却才能实现高功率激光输出；避免了1.9μm铥激光泵浦源高昂的费用和笨重的结构；避免了1.9μm LD的高成本，泵浦波长不匹配以及泵浦能量泄露浪费等问题；也避免了腔内共振泵浦下需要对各增益介质进行分别控温及严格准直等问题。

附图说明

图1a是本发明提出的钬激光器为直腔结构的示意图；

图1b是本发明提出的钬激光器为L型腔结构的示意图；

图2是本发明提出的钬激光器包括的增益介质模块的示意图；

图3是本发明提出的钬激光器包括的复合增益介质的示意图；

图4是本发明提出的钬激光器的实验中，不同输入电流所对应的钬激光输出功率变化曲线的实验效果图；

图5是本发明提出的钬激光器的实验中，激光输出功率在6W附近的激光输出光谱效果图；

图6是本发明提出的钬激光器的实验中，采用宽带耦合透过率膜层时所实现的双波长激光输出效果图。

附图中的标记：1——800nm半导体激光器，2——多模光纤，3——准直聚焦模块，4——前腔镜，5——增益介质模块，6——后腔镜，7、8——45°镜，9——水嘴，10——铝材料隔热底座，11——夹有增益介质的冷却铜块，12——复合增益介质，13——掺Tm增益介质，14——复合界面，15——掺Ho增益介质

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例，相关附图作为示意图不应该被认为严格反映几何尺寸的比例关系，也不应该作为限制本发明的适用范围。

本发明提供的一种钬激光器，如图1a所示，包括：泵浦模块、增益介质模块5和激光谐振腔模块。其中，泵浦模块包括800nm半导体激光器1、多模光纤2和准直聚焦模块3；激光谐振腔模块包括前腔镜4和后腔镜6，后腔镜6作为耦合输出镜；增益介质模块5位于前腔镜4和后腔镜6之间。800nm半导体激光器1激发出的半导体泵浦光，经多模光纤2后，输出到准直聚焦模块3，准直聚焦模块3输出的光经前腔镜4入射到增益介质模块5产生钬激光，经后腔镜6输出。

本发明中的800nm半导体激光器1是指输出波长在800nm附近的半导体激光器，具体的输出波长视不同的掺铥(Tm)增益介质而定，根据不同的掺Tm增益介质的吸收特性，例如，针对Tm:YAG和Tm:LuAG，800nm半导体激光器1的输出波长可以为785nm；针对Tm:YLF和Tm:LuLiF，800nm半导体激光器1的输出波长可以为792nm；针对Tm:YAP，800nm半导体激光器1的输出波长可以为795nm；也可以为781nm或808nm等远离掺Tm增益介质吸收峰的波段，以进行侧瓣泵浦等。针对YAG晶体，本实施例使用的800nm半导体激光器1的输出波长为785nm，也可以将800nm半导体激光器1的输出波长和线宽锁定在Tm:YAG的最佳泵浦峰位上，以显著提升钬激光器的光光转换效率。

多模光纤2优选为SMA接口，芯径为400微米，数值孔径为0.22。

准直聚焦模块3是由两片平凸透镜构成的成像***，焦距在30-50mm范围内的某个特定长度，旨在实现增益介质模块5中泵浦光的聚焦光斑与激光谐振腔模块内钬激光的光场分布相匹配，以产生高效率的激光输出。

多模光纤2的输出端接口与构成准直聚焦模块3的两片平凸透镜一同封装在一个铝材料镜筒中，以便于固定在光学调整架上。使用时，将构成准直聚焦模块3的两片平凸透镜填装到镜筒中并固定，即可得到准直聚焦模块3；将多模光纤2的输出端接口固定到铝材料镜筒的输入端，固定时，确保多模光纤2的输出端接口与铝材料镜筒的输入端连接上时，多模光纤2的输入端的端面与准直聚焦模块3的第一片平凸透镜入射面的距离，等于第一片平凸透镜的后焦距，用以保证入射第一片平凸透镜后的半导体泵浦光得到准直，其中第一片平凸透镜为两片平凸透镜中靠近多模光纤2的平凸透镜；然后将装好两片平凸透镜并连接上多模光纤2的镜筒固定在光学调整架上，光学调整架优选采用四维调整架。

激光谐振腔模块中的谐振腔可以为满足钬激光增益条件，使复合增益介质的热效应在谐振腔稳定区范围内，能够从单块复合增益介质中实现钬激光输出的任何一种谐振腔。例如，在形状上可以为直腔、L型腔、多重(3重、4重、5重等)折叠腔；在直腔中可以为平平腔，平凹腔或凹凸腔等。

图1a所示的钬激光器包括的激光谐振腔模块采用直腔结构，激光谐振腔模块包括的前腔镜4和后腔镜6可以为平平腔、平凹腔或凹凸腔等任意一种可以实现固态激光器稳定输出的腔型结构。

例如，激光谐振腔模块包括的前腔镜4和后腔镜6采用平凹腔结构，后腔镜6的曲率在50～1000mm之间，激光谐振腔模块的腔长在25～80mm之间，优选在40～80mm之间。前腔镜4镀有对铥激光和钬激光输出波段的高反并且对半导体泵浦波段增透的膜层。后腔镜6对2.05～2.2μm波段的钬激光的耦合透过率在2～30％之间，不同的耦合透过率可以实现不同波长如2090nm，2097nm，2122nm及2129nm的钬激光输出，也可根据是否同时实现铥激光和钬激光的双波长输出，而选择是否使膜层同时对铥激光波段进行高反。当后腔镜6对2.05～2.2μm波段的钬激光和1.9～2.02μm波段的铥激光具有相同或相近(相差在10％以内)的耦合透过率时，可以同时实现铥激光和钬激光的双波长输出。

图1b所示的钬激光器包括的激光谐振腔模块采用L型腔结构，比图1a所示的直腔结构增加了一片45°镜8，设置在准直聚焦模块3和前腔镜4之间，用以将准直聚焦模块3输出的泵浦光耦合进增益介质模块，并将前腔镜4反射的铥激光和钬激光折转入射增益介质模块5。45°镜8为镀膜镜片，用于增透800nm泵浦光并且高反铥激光和钬激光。

增益介质模块5的三维装配图如图2所示，增益介质模块5包括冷却铜块11以及夹设在冷却铜块11中的复合增益介质12。冷却铜块11上设置有四个直径为6mm的水嘴9，均与冷却铜块11夹设复合增益介质12的腔体相通，这四个水嘴9中，两个为进水嘴，两个为出水嘴，进水嘴和出水嘴可以根据需要设置在冷却铜块11的上方和侧方，与外置的控温水箱组成复合增益介质12的水冷回路，冷却水温度控制在5～30℃。

复合增益介质12为掺Tm增益介质13与掺Ho增益介质15通过复合技术一体化的单块复合增益介质，如图3所示，掺Tm增益介质13与掺Ho增益介质15之间形成复合界面14。复合技术例如可以采用胶合技术和扩散键合技术。复合增益介质的Tm掺杂部分和Ho掺杂部分可以利用成熟的玻璃、晶体或透明陶瓷生长技术进行变浓度掺杂，利用增益介质复合技术，能够在Tm掺杂增益介质前端面，Ho掺杂增益介质的后端面或Tm掺杂增益介质的后端面与Ho掺杂增益介质的前端面之间复合上其它无稀土离子掺杂的介质，以缓解激光器的热效应或改善增益介质的性能。掺Tm增益介质13可以为能够产生铥激光输出的任意一种增益介质，晶体类如Tm:YAG，Tm:LuAG，Tm:YLF，Tm:LuLiF，Tm:YAP，Tm:YAB，Tm:KGW，Tm:GdVO₄和Tm:YVO₄等，透明陶瓷类，如Tm:YAG和Tm:Al₂O₃，Tm离子掺杂浓度在2～7a.t.％之间，增益介质长度在0.2～20cm之间，制备成掺Tm晶体纤维则可以具有更长的增益介质长度。掺Ho增益介质15可以为能够产生钬激光输出的任意一种增益介质，晶体类如Ho:YAG，Ho:LuAG，Ho:YLF，Ho:LuLiF，Ho:YAP，Ho:KGW，Ho:YAB，Ho:GdVO4和Ho:YVO4等，透明陶瓷类如Ho:YAG和Ho:Al₂O₃，Ho离子掺杂浓度在0.2at.％～1.5at.％之间，增益介质长度在0.2～20cm之间，制备成掺Ho晶体纤维则可以具有更长的增益介质长度。例如，采用Tm:YAG晶体和Ho:YAG晶体经扩散键合而成的单块复合晶体，经过理论仿真和实验论证，Tm:YAG晶体部分的长度在3～20mm之间的一个具体值，掺杂浓度在2～7a.t.％之间的一个具体值，Ho:YAG晶体部分的长度在4～15mm之间的一个具体值，掺杂浓度在0.2at.％～1.5at.％之间的一个具体值。

使用时，将复合增益介质12用铟片包裹后固定在冷却铜块11上，如图2所示，同时用塑料水管将冷却铜块11上的四个水嘴9与控温水箱的出水口和入水口连接起来，形成对复合增益介质12的水冷回路。根据需要，将冷却水温度控制在5～30℃中的一个特定值。

图1a所示的钬激光器在使用时，通过He-Ne激光器进行对光，将前腔镜4和后腔镜6以及冷却铜块11中的复合增益介质12的对称中心调整到同一条直线上：前腔镜4的第二面与复合增益介质12第一面的距离小于10mm，复合增益介质12的第二面与后腔镜6第一面的距离在10～50mm之间。

在控温水箱对800nm半导体激光器1和复合增益介质12进行温度控制后，先进行小功率泵浦，例如泵浦光功率在4～8W的强度范围内，通过四维调整架和光学平移台调整准直聚焦模块3的泵浦光在晶体上聚焦光斑的位置，以获得在当前泵浦功率下所能得到的最大激光输出功率。

逐步增加800nm半导体激光器1的驱动电流，得到最大6W的钬激光输出，如图4所示。测出泵浦光在最大驱动电流下被复合增益介质12所吸收的功率约为17W，算出当前钬激光器的光光转换效率为35％，与当前1.9μm半导体激光器泵浦钬激光的转换效率相当。6W激光输出所对应的后腔镜6加镀了对铥激光波段的高反膜，因此可以实现单波长的钬激光输出，输出光谱如图5所示。如果对耦合输出镜6进行宽带镀膜，使之对铥激光和钬激光波段具有相同的透过率，则可以实现铥激光和钬激光的双波长输出，其中一个输出光谱如图6所示。

本发明提出的钬激光器还包括45°镜7，45°镜7用以将后腔镜6输出的钬激光和铥激光折转45°后输出。

本发明提出的钬激光器，基于复合晶体技术，将掺Tm增益介质和掺Ho增益介质集成为同一块增益介质，在常规800nm半导体激光的泵浦下直接产生大功率钬激光的高效率输出。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种钬激光器，其特征在于，包括：泵浦模块、增益介质模块和激光谐振腔模块；

增益介质模块位于前腔镜和后腔镜之间，所述增益介质模块中的增益介质为由掺铥增益介质和掺钬增益介质键合而成的单块增益介质，其中，掺铥增益介质在掺铥之前与掺钬增益介质在掺钬之前为同一种增益介质；

半导体激光器激发出的半导体泵浦光，经多模光纤后，输出到准直聚焦模块，准直聚焦模块输出的光经前腔镜入射到增益介质模块中的增益介质的掺铥部分产生钬激光，经后腔镜输出。

2.根据权利要求1所述的钬激光器，其特征在于，所述增益介质模块还包括冷却铜块，冷却铜块夹设所述增益介质；冷却铜块上设置多个水嘴，多个水嘴均与冷却铜块夹设增益介质的腔体相通，并与外置的控温水箱组成增益介质的水冷回路，冷却水温度控制在5～30℃。

3.根据权利要求1所述的钬激光器，其特征在于，在掺铥增益介质前端面、掺钬增益介质的后端面或掺铥增益介质的后端面与掺钬增益介质的前端面之间，复合上无稀土离子掺杂的介质。

4.根据权利要求1所述的钬激光器，其特征在于，掺铥增益介质与掺钬增益介质利用玻璃、晶体或透明陶瓷生长技术进行变浓度掺杂。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的钬激光器，其特征在于，所述半导体激光器为输出波长在800nm附近的半导体激光器；多模光纤为SMA接口，芯径为400微米，数值孔径为0.22；准直聚焦模块是由两片平凸透镜构成的成像***，焦距在30～50mm范围内。

6.根据权利要求5所述的钬激光器，其特征在于，多模光纤的输出端接口与构成准直聚焦模块的两片平凸透镜一同封装在一个铝材料镜筒中，封装时，确保多模光纤的输出端接口与铝材料镜筒的输入端连接上时，多模光纤的输入端的端面与准直聚焦模块的第一片平凸透镜入射面的距离，等于第一片平凸透镜的后焦距，用以保证入射第一片平凸透镜后的半导体泵浦光得到准直，其中第一片平凸透镜为两片平凸透镜中靠近多模光纤的平凸透镜。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的钬激光器，其特征在于，激光谐振腔模块中的谐振腔为满足钬激光增益条件，使增益介质的热效应在谐振腔稳定区范围内，能够从增益介质中实现钬激光输出的任何一种谐振腔。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的钬激光器，其特征在于，激光谐振腔模块包括的前腔镜和后腔镜采用平凹腔结构，后腔镜的曲率在50～1000mm之间，激光谐振腔模块的腔长在25～80mm之间；前腔镜为镀有对铥激光和钬激光输出波段的高反并且对半导体泵浦波段增透的膜层，后腔镜对2.05～2.2μm波段的钬激光的耦合透过率在2～30％之间。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的钬激光器，其特征在于，激光谐振腔模块采用L型腔结构，所述钬激光器还包括45°镜，45°镜设置在准直聚焦模块和前腔镜之间，用以将准直聚焦模块输出的泵浦光耦合进增益介质模块，并将前腔镜反射的铥激光和钬激光折转入射增益介质模块。