CN114865437A - 一种2μm和3μm双波长固体中红外激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种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***、谐振腔和滤波片；所述谐振腔包括激光输入镜A、Ho3+离子掺杂激光晶体和激光输出镜A。本发明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；通过优化泵浦和谐振腔结构，实现高功率(>5W)、高斜效率(>40％)、高光束质量(M2<1.5)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。

Description

一种2μm和3μm双波长固体中红外激光器
技术领域
本发明涉及一种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领域。
背景技术
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。
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(Ho3+)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Ho3+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LeVerreFluoré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Ho3+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。
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。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种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Ho3+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。
本发明的技术方案为：
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***、谐振腔和滤波片A；所述谐振腔包括激光输入镜A、Ho3+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Ho3+离子掺杂激光晶体为Ho3+离子掺杂氟化物晶体或Ho3+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***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Ho3+离子掺杂激光晶体上，对所述Ho3 +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。
本发明提供的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。
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”5I7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G2μm和3μm的单程增益系数G3μm分别如式(I)和式(II)所示：
G2μm＝[τ2βσel2+(τ2+τ3β)σal3]Pa/(A×hνp)-Nσal2L (I)
式(I)中，τ2为5I7能级荧光寿命，σel2为2μm的受激发射截面，σal2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，νp代表泵浦光频率，A指泵浦光面体，L是晶体长度，Pa表示吸收泵浦功率，N表示***初始粒子数；
G3μm＝[τ3σel3-τ2β)σal3]Pa/(A×hνp) (II)
式(II)中，τ3为5I6能级荧光寿命，σel3为3μm的受激发射截面，σal3为3μm的受激吸收截面；
因此，通过优化Ho3+离子掺杂浓度、晶体基质材料和长度以及泵浦等参数，来实现2μm和3μm中红外激光同时发射。
根据本发明优选的，所述Ho3+离子掺杂激光晶体的掺杂浓度范围为0.5-1.5at.％；通过泵浦该掺杂范围内的激光晶体可实现2μm和3μm中红外激光级联同时输出。
根据本发明优选的，所述Ho3+离子掺杂氟化物晶体为Ho:YLiF4(Ho:YLF)晶体、Ho:LuLiF4(Ho:LLF)晶体、Ho:BaYF4(Ho:BYF)晶体、Ho:CaF2晶体。其中，YLF基质晶体声子能量低、热效应弱；LLF基质晶体透光范围宽(0.3-16μm)、损伤阈值高；BYF基质晶体荧光寿命长、阈值低；CaF2基质晶体吸收和发射峰较宽。
Ho3+离子掺杂倍半氧化物晶体为Ho:Lu2O3或Ho:Y2O3，倍半氧化物晶体的声子能量低。
根据本发明优选的，所述泵浦激光器为输出波长为1150nm的光纤拉曼激光器。该波长位于5I8→5I6的吸收峰，波长相对较长可减少激发态吸收对5I7能级粒子数的损耗，同时光束质量好，转换效率和输出功率高。
根据本发明优选的，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％。
根据本发明优选的，所述谐振腔中还包括45°谐波镜、激光输出镜B和滤波片B，所述45°谐波镜设置在所述Ho3+离子掺杂激光晶体和激光输出镜A之间，且所述45°谐波镜与光路呈45°夹角；所述激光输出镜B和滤波片B依次设置在所述45°谐波镜的一侧；
激光输入镜A、Ho3+离子掺杂激光晶体和激光输出镜A构成3μm谐振腔，产生3μm激光，并由激光输出镜A耦合输出，滤波片A滤掉剩余1150nm泵浦光，输出3μm波长的中红外激光；
激光输入镜A、Ho3+离子掺杂激光晶体、45°谐波镜和激光输出镜B构成2μm谐振腔，产生2μm激光，并由激光输出镜B耦合输出，滤波片B滤掉剩余1150nm泵浦光，输出2μm波长的中红外激光。
该复合腔设计，可以根据优2μm和3μm激光增益和损耗化腔内振荡光斑的大小，实现泵浦光和振荡光的模式匹配，提高输出的2μm和3μm激光的输出功率和光束质量。
根据本发明优选的，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45°谐波镜上镀有3μm增透和2μm高反膜，对3μm波长的透过率大于99.5％，对2μm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波长的透过率大于99.5％，对3μm波长的透过率为20％；
所述激光输出镜B上镀有2μm和3μm波长的部分透射膜，对2μm波长的透过率为20％，对3μm波长的透过率大于99.5％。
根据本发明优选的，所述激光输入镜A、激光输出镜A、激光输出镜B和45°谐波镜的材质为氟化钙晶体或ZnSe晶体。氟化钙晶体和ZnSe晶体对2μm和3μm中红外激光透过率高，实现谐振腔的正反馈和选模的作用。
根据本发明优选的，所述滤波片A/滤波片B与光路的角度a满足：0°<a<10°。
根据本发明优选的，所述滤波片A/滤波片B为锗片，或蒸镀介质膜的谐波镜片。
根据本发明优选的，所述半导体激光器的输出方式均为自由空间直接输出、光纤耦合输出、堆阵输出和线阵输出方式中的一种。
本发明的有益效果为：
1、本发明利用1150nm光纤激光器泵浦Ho3+离子掺杂晶体晶体，可实现2μm和3μm中红外激光同时级联输出，效率高，光束质量好。
2、本发明可以2μm和3μm中红外激光同时输出，可以大大提高透明或白色塑料材料的吸收效率，同时在医疗诊断和手术方面具有重要应用。
3、目前实现2μm和3μm中红外激光同时输出的固体激光器未见报道，通过优化Ho3+离子掺杂浓度、晶体基质、长度等参数以及谐振腔结构，可实现高功率(>5W)、高斜效率(>40％)、高光束质量(M2<1.5)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。
附图说明
图1为Ho3+离子激光晶体能级示意图；
图2为本发明的实施例1所提供的一种2μm和3μm双波长固体中红外激光器的结构示意图；
图3为本发明的实施例1所得到的2μm中红外激光输出功率曲线；
图4为本发明的实施例1所得到的3μm中红外激光输出功率曲线；
图5为本发明的实施例1所得到的2μm和3μm中红外激光光谱图；
图6为本发明的实施例4所提供的一种2μm和3μm双波长固体中红外激光器的结构示意图；
1、泵浦激光器，2、准直聚焦***，3、激光输入镜A，4、Ho3+离子掺杂激光晶体，5、激光输出镜A，6、滤波片A，7、45°谐波镜，8、激光输出镜B，9、滤波片B。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
一种2μm和3μm双波长固体中红外激光器，如图2所示，包括沿光路依次设置的泵浦激光器1、准直聚焦***2、谐振腔和滤波片A6；谐振腔包括激光输入镜A3、Ho3+离子掺杂激光晶体4和激光输出镜A5；
本实施例中，Ho3+离子掺杂激光晶体4为Ho:YLF晶体，Ho3+离子掺杂浓度1at.％，Ho:YLF晶体放置在水冷热沉中温度控制在<20℃。
泵浦激光器1为工作波长为1150nm的光纤激光器。
1150nm光纤激光器输出的泵浦光经过准直聚焦***2的准直后，泵浦光入射到谐振腔中，泵浦光经过激光输入镜后入射到Ho:YLF晶体上，对Ho:YLF晶体进行泵浦，在谐振腔内形成级联激光振荡，产生2μm和3μm中红外激光，并由激光输出镜A5耦合输出；滤波片A6滤掉剩余泵浦光，输出2μm和3μm激光。
本发明提供的2μm和3μm双波长固体中红外激光器的工作原理：Ho:YLF晶体吸收1150nm泵浦光，粒子从5I8能级跃迁到5I6能级，Ho3+离子掺杂浓度和泵浦强度足以使5I6和5I7能级产生粒子数反转，满足3μm增益大于损耗的振荡条件。同时，5I6→5I7能级跃迁是5I7→5I8跃迁对应2μm发射反转粒子数的主要来源，满足2μm增益大于损耗的振荡条件，2μm跃迁反过来又促进3μm跃迁下能级5I7的粒子数排空，从而提升3μm激光发射的效率和功率。因此，2μm和3μm级联发射，两波长激光相互促进效率和功率提升。
激光输入镜A3和激光输出镜A5为氟化钙晶体，对2μm和3μm中红外激光具有较高的透过率，减少吸收损耗，同时实现谐振腔的正反馈和选模的作用。
滤波片和光路的角度a为0°<a<10°。
激光输入镜A3和激光输出镜A5上镀有介质膜，激光输入镜A3镀有1150nm泵浦光增透膜、2μm和3μm波长的高反射膜，泵浦光增透膜对1150nm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％；
激光输出镜A5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％。
2μm和3μm级联中红外激光输出3μm功率如图3所示，输出2μm功率如图4所示，在当激光输出镜A5上镀有2μm和3μm波长的部分透射膜，对2μm透过率为15％，3μm透过率为25％时，效果最佳，当泵浦激光器1的功率为5W时，3μm输出功率为780mW，对应斜效率η为16.9％；2μm输出功率为150mW，对应斜效率η为2.8％。
在相同条件下，3μm单波长振荡时输出功率为400mW，相比较可知，3μm激光输出功率比单一波长振荡时提高了100％，激光阈值降低了15％。
如图5所示，2μm和3μm级联中红外激光输出光谱随泵浦功率变化。在级联振荡过程中，3μm激光优先振荡，随着泵浦功率提升，2μm激光起振。
实施例2
根据实施例1所提供的一种2μm和3μm双波长固体中红外激光器，区别之处在于：
在本实例中，泵浦激光器1是半导体激光器，工作波长为1120-1150nm，泵浦激光器1为光纤耦合输出，滤波片A6和光路的角度a满足0°<a<10°。
本实施例中，Ho3+离子掺杂激光晶体4为Ho3+离子掺杂倍半氧化物晶体；Ho3+离子掺杂倍半氧化物晶体为Ho:Lu2O3或Ho:Y2O3，掺杂浓度1.5at.％。
实施例3
根据实施例1所提供的一种2μm和3μm双波长固体中红外激光器，区别之处在于：
Ho3+离子掺杂氟化物晶体为Ho:LuLiF4(Ho:LLF)晶体或Ho:BaYF4(Ho:BYF)晶体或Ho:CaF2晶体。
实施例4
根据实施例1所提供的一种2μm和3μm双波长固体中红外激光器，区别之处在于：
如图6所示，2μm和3μm双波长固体中红外激光器采用复合双腔结构，谐振腔中还包括45°谐波镜7、激光输出镜B8和滤波片B9，45°谐波镜7设置在Ho3+离子掺杂激光晶体4和激光输出镜A5之间，且45°谐波镜7与光路呈45°夹角；激光输出镜B8和滤波片B9设置在45°谐波镜7的一侧；
1150nm光纤激光器输出的泵浦光经过准直聚焦***2的准直后经过激光输入镜后入射到Ho:YLF晶体上，对Ho:YLF晶体进行泵浦；45°谐波镜7对3μm激光高透同时对2μm高反；激光输入镜A3、Ho3+离子掺杂激光晶体4和激光输出镜A5构成3μm谐振腔，产生3μm激光，并由激光输出镜A5耦合输出，滤波片A6滤掉剩余1150nm泵浦光，输出3μm波长的中红外激光；激光输入镜A3、Ho3+离子掺杂激光晶体4、45°谐波镜7和激光输出镜B8构成2μm谐振腔，产生2μm激光，并由激光输出镜B8耦合输出，滤波片B9滤掉剩余1150nm泵浦光，输出2μm波长的中红外激光。采用复合双腔结构可以分别针对2μm和3μm激光优化腔型设计，提高转化效率和输出功率以及光束质量。
滤波片A6和光路的角度a满足0°<a<10°。滤波片B9和光路的角度a满足0°<a<10°。
滤波片A6/滤波片B9为锗片，或蒸镀介质膜的谐波镜片。
激光输入镜A3、激光输出镜A5、激光输出镜B8为ZnSe晶体。对2μm和3μm中红外激光具有较高的透过率，减少吸收损耗，同时实现谐振腔的正反馈和选模的作用。
激光输入镜A3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1150nm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％；
45°谐波镜7上镀有3μm增透和2μm高反膜，对3μm波长的透过率大于99.5％，对2μm波长的反射率大于99.8％；
激光输出镜A5上镀有2μm和3μm波长的部分透射膜，对2μm波长的透过率大于99.5％，对3μm波长的透过率为20％；
激光输出镜B8上镀有2μm和3μm波长的部分透射膜，对2μm波长的透过率为20％，对3μm波长的透过率大于99.5％。
该复合腔设计，可以根据优2μm和3μm激光增益和损耗化腔内振荡光斑的大小，实现泵浦光和振荡光的模式匹配，提高输出的2μm和3μm激光的输出功率和光束质量。

Claims (10)

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***、谐振腔和滤波片A；所述谐振腔包括激光输入镜A、Ho3+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Ho3+离子掺杂激光晶体为Ho3+离子掺杂氟化物晶体或Ho3+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***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Ho3+离子掺杂激光晶体上，对所述Ho3+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Ho3 +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Ho3 +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B和滤波片B，所述45°谐波镜设置在所述Ho3+离子掺杂激光晶体和激光输出镜A之间，且所述45°谐波镜与光路呈45°夹角；所述激光输出镜B和滤波片B依次设置在所述45°谐波镜的一侧；
激光输入镜A、Ho3+离子掺杂激光晶体和激光输出镜A构成3μm谐振腔，产生3μm激光，并由激光输出镜A耦合输出，滤波片A滤掉剩余泵浦光，输出3μm波长的中红外激光；
激光输入镜A、Ho3+离子掺杂激光晶体、45°谐波镜和激光输出镜B构成2μm谐振腔，产生2μm激光，并由激光输出镜B耦合输出，滤波片B滤掉剩余泵浦光，输出2μm波长的中红外激光。
7.根据权利要求6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45°谐波镜上镀有3μm增透和2μm高反膜，对3μm波长的透过率大于99.5％，对2μm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波长的透过率大于99.5％，对3μm波长的透过率为20％；
所述激光输出镜B上镀有2μm和3μm波长的部分透射膜，对2μm波长的透过率为20％，对3μm波长的透过率大于99.5％。
8.根据权利要求6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、激光输出镜A、激光输出镜B和45°谐波镜的材质为氟化钙晶体或ZnSe晶体。
9.根据权利要求6所述的一种2μm和3μm双波长固体中红外激光器，其特征在于，所述滤波片A/滤波片B与光路的角度a满足：0°<a<10°；所述滤波片A/滤波片B为锗片，或蒸镀介质膜的谐波镜片。
10.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，所述半导体激光器的输出方式均为自由空间直接输出、光纤耦合输出、堆阵输出和线阵输出方式中的一种。
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