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
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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