(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 109687266 A(43)申请公布日 2019.04.26
(21)申请号 201811551993.6(22)申请日 2018.12.19
(71)申请人 山东大学
地址 250199 山东省济南市历城区山大南
路27号
H01S 3/16(2006.01)H01S 3/115(2006.01)H01S 3/117(2006.01)H01S 3/11(2006.01)G02F 1/11(2006.01)
(72)发明人 张百涛 聂鸿坤 施炳楠 杨克建
何京良 (74)专利代理机构 济南金迪知识产权代理有限
公司 37219
代理人 陈桂玲(51)Int.Cl.
H01S 3/05(2006.01)H01S 3/06(2006.01)H01S 3/094(2006.01)H01S 3/0941(2006.01)
权利要求书1页 说明书4页 附图2页
CN 109687266 A(54)发明名称
一种高峰值功率2.79微米铒激光器(57)摘要
本发明涉及一种高峰值功率2.79微米铒激光器，属于全固态激光器领域，包括激光泵浦源
谐振腔镜A、聚焦耦合系统A、激光晶体、调Q模块、
A和谐振腔镜B；激光泵浦源A发出的光经聚焦耦合系统A后入射到激光晶体上，谐振腔镜A、激光晶体、调Q模块和谐振腔镜B构成2.79μm波段铒激光谐振腔，产生的2.79μm波段中红外激光从谐振腔镜B端镜输出；激光晶体为Er3+、Pr3+共掺的激光晶体。本发明采用脉冲激光泵浦源端面泵浦结构，有效地克服了闪光灯泵浦激光重复频率低的问题，同时缓解了激光谐振腔的热效应，并通过谐振腔的合理设计实现良好的腔模匹配，获得高效率、高峰值功率、高光束质量的2.79μm铒激光输出。
CN 109687266 A
权 利 要 求 书
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1.一种高峰值功率2.79微米铒激光器，其特征在于，包括激光泵浦源A、聚焦耦合系统A、激光晶体、调Q模块、谐振腔镜A和谐振腔镜B；
激光泵浦源A发出的光经聚焦耦合系统A之后入射到激光晶体上，谐振腔镜A、激光晶体、调Q模块和谐振腔镜B构成2.79μm波段铒激光谐振腔，产生的2.79μm波段中红外激光从谐振腔镜B端镜输出；
所述激光晶体为Er3+、Pr3+共掺的激光晶体。
2.根据权利要求1所述的高峰值功率2.79微米铒激光器，其特征在于，还包括谐振腔镜C，谐振腔镜A、激光晶体、调Q模块、谐振腔镜B和谐振腔镜C构成2.79μm波段铒激光谐振腔。
3.根据权利要求2所述的高峰值功率2.79微米铒激光器，其特征在于，还包括谐振腔镜D，谐振腔镜A、激光晶体、调Q模块、谐振腔镜B、谐振腔镜C和谐振腔镜D构成2.79μm波段铒激光谐振腔。
4.根据权利要求2所述的高峰值功率2.79微米铒激光器，其特征在于，还包括聚焦耦合系统B、一个分束镜和三个反射镜，所述激光泵浦源A为双端泵浦结构，双端泵浦结构将激光泵浦源A发出的光经分束镜之后分成功率相等的两部分，其中一部分经过聚焦耦合系统A入射到激光晶体上，另一部分经分束镜由反射镜反射后再经过聚焦耦合系统B入射到激光晶体上。
5.根据权利要求2所述的高峰值功率2.79微米铒激光器，其特征在于，还包括聚焦耦合系统B和激光泵浦源B，激光泵浦源A和激光泵浦源B发出的光分别经聚焦耦合系统A和聚焦耦合系统B入射到激光晶体上。
6.根据权利要求2所述的高峰值功率2.79微米铒激光器，其特征在于，所述激光晶体的基质材料为石榴石结构的晶体或氟化物晶体。
7.根据权利要求2所述的高峰值功率2.79微米铒激光器，其特征在于，Er3+、Pr3+掺杂浓度的比例为1:1～5:1。
8.根据权利要求2所述的高峰值功率2.79微米铒激光器，其特征在于，所述激光泵浦源A为脉冲工作的半导体激光器，为线偏振或随机偏振。
9.根据权利要求2所述的高峰值功率2.79微米铒激光器，其特征在于，所述调Q模块为电光调Q模块、声光调Q开关、被动调Q模块中的一种或任意两种的组合；
优选的，所述电光调Q模块包括四分之一波片和电光Q开关，其中电光Q开关为KDP、RTP、LN、LGS中的一种；所述光调Q模块的工作方式采用加压式或退压式。
10.根据权利要求9所述的高峰值功率2.79微米铒激光器，其特征在于，所述声光调Q开关采用熔融石英、二氧化碲或钼酸碲钡晶体；
优选的，所述被动调Q模块中可饱和吸收体采用石墨烯、黑磷、过渡金属硫化物或者拓扑绝缘体。
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说 明 书
一种高峰值功率2.79微米铒激光器
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技术领域
[0001]本发明涉及一种高峰值功率2.79微米(μm)铒激光器，属于全固态激光器技术领域。
背景技术
[0002]2.79μm波段激光可用于红外照明、激光雷达、光电对抗、自由空间通信、化学和生物探测、环境污染监测等领域。2.79μm波段中红外超短脉冲激光在中红外频率梳、阿秒超短脉冲、人工动态带隙以及地基临近空间探测等方面具有不可替代的作用。另外它可以泵浦红外光参量振荡器来获得5.0-8.0μm更长波长的高功率红外激光。更重要的是，2.79μm波段激光与水的强吸收峰位置重叠，因而水对它的吸收率特别高，使其在多水软组织的薄层内被吸收，因此可以在对软组织周围不产生任何热损伤的前提下进行精确切割，是精细外科手术理想的工作波段，被广泛应用于生物和医学领域。如上所述，由于2.79μm中红外激光具有重要的应用背景和极大需求，它已成为近年来国内外全固态激光领域研究的重点。[0003]基于铒(Er3+)离子掺杂的晶体材料是LD直接泵浦产生2.79μm中红外激光输出的主要增益介质。但是，Er3+离子2.79μm波段激光跃迁存在一个“瓶颈”-激光上能级的荧光寿命远小于激光下能级的荧光寿命，在受激发射过程中，跃迁下来的粒子积累在下能级上，不利于激光发射过程中保持足够的粒子数反转。因此，要实现高效率2.79μm波段中红外激光输出，就必须要有效的释放下能级的粒子(减小其荧光寿命)。[0004]经研究发现，通过掺入某些能级与Er3+离子下能级接近的离子，通过离子间共振能量转移，可以加快抽空激光下能级粒子的速度，有效减小下能级的荧光寿命。[0005]在具体应用中，往往需要窄脉冲、高峰值功率的2.79μm激光器，而调Q技术是获得该光源的主要技术手段。常用的调Q技术包括电光调Q、声光调Q和被动调Q(可饱和吸收体调Q)等。以往窄脉冲、高峰值功率的2.79μm激光器都采用闪光灯进行泵浦，采用的是侧面泵浦方式，这样就造成以下问题：一、闪光等发射谱线中除了被晶体吸收的很小一部分其他的都会产生热量，进而产生热透镜和热退偏效应，影响最终的光束质量和输出能量；二、侧面泵浦方式模式匹配较差，很难获得高光束质量的激光输出；三、闪光灯泵浦激光脉冲的重复频率较低，一般小于20Hz；四、闪光灯泵浦结构，灯和激光晶体都需要采用大功率水冷机通水冷却，造成整个系统非常庞大，而且成本也非常高。发明内容
[0006]针对现有技术的不足，本发明提供一种结构紧凑(小型化)、高效率、高光束质量的高峰值功率2.79微米铒激光器。[0007]本发明采用以下技术方案：
[0008]一种高峰值功率2.79微米铒激光器，包括激光泵浦源A、聚焦耦合系统A、激光晶体、调Q模块、谐振腔镜A和谐振腔镜B；
[0009]激光泵浦源A发出的光经聚焦耦合系统A之后入射到激光晶体上，谐振腔镜A、激光
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说 明 书
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晶体、调Q模块和谐振腔镜B构成2.79μm波段铒激光谐振腔，产生的2.79μm波段中红外激光从谐振腔镜B端镜输出；
[0010]所述的激光晶体为铒(Er3+)、镨(Pr3+)共掺的激光晶体，晶体基质材料可以是石榴石结构的晶体如YAG、GGG、YSGG、GAGG、GYSGG等，也可以是氟化物晶体如YLF、LLF、BYF、CaF2等；
[0011]激光晶体是铒(Er3+)、镨(Pr3+)共掺的激光晶体，离子掺杂浓度存在最佳比例，其最佳比例为1:1～5:1，在此范围内可以使激光下能级寿命大大减小，同时对激光上能级影响很小，从而使激光上能级寿命大于激光下能级，有利于实现粒子数反转获得激光输出；[0012]优选的，本发明还包括谐振腔镜C，谐振腔镜A、激光晶体、调Q模块、谐振腔镜B和谐振腔镜C构成2.79μm波段铒激光谐振腔。[0013]优选的，本发明还包括谐振腔镜D，谐振腔镜A、激光晶体、调Q模块、谐振腔镜B、谐振腔镜C和谐振腔镜D构成2.79μm波段铒激光谐振腔。[0014]优选的，本发明还包括聚焦耦合系统B、一个分束镜和三个反射镜，反射镜可以为泵浦光45°反射镜，所述激光泵浦源A为双端泵浦结构，双端泵浦结构将激光泵浦源A发出的光经分束镜之后分成功率相等的两部分，其中一部分经过聚焦耦合系统A入射到激光晶体上，另一部分经分束镜由反射镜反射后再经过聚焦耦合系统B入射到激光晶体上。[0015]优选的，还包括聚焦耦合系统B和激光泵浦源B，激光泵浦源A和激光泵浦源B发出的光分别经聚焦耦合系统A和聚焦耦合系统B入射到激光晶体上。[0016]进一步优选的，所述激光晶体的基质材料为石榴石结构的晶体或氟化物晶体。[0017]进一步优选的，所述激光泵浦源A为脉冲工作的半导体激光器(LD)，可以是线偏振的，也可以是随机偏振的；如果是线偏振泵浦光，则要根据激光晶体的要求(偏振吸收特性)确定偏振方向。
[0018]所述的调Q模块，可以是电光调Q模块，也可以是声光调Q开关，也可以是被动调Q模块，也开以是以上两者的组合；[0019]上述的电光调Q模块，包括四分之一波片和电光Q开关，其中电光Q开关可以采用磷酸二氢钾(KDP)、磷酸钛氧铷(RTP)、铌酸锂(LN)、硅酸镓镧(LGS)中的一种；工作方式可以采用加压式也可以采用退压式；[0020]上述的声光调Q模块，声光Q开关可以采用熔融石英，也可以采用二氧化碲，也可以采用钼酸碲钡晶体；
[0021]上述的被动调Q模块，可饱和吸收体可以采用不同的二维材料，包括石墨烯、黑磷、过渡金属硫化物、拓扑绝缘体、或者不同二维材料的异质结中的一种，也可以采用半导体可饱和吸收镜(SESAM)，也可以是在该波段具有饱和吸收的激光晶体，如Fe:ZnSe。[0022]本发明的谐振腔可以是简单两镜腔，也可以是三谐振腔镜折叠腔、四谐振腔镜折叠腔；可以采用单端泵浦方式，也可以采用双端泵浦方式；[0023]本发明中，泵浦光经过聚焦耦合系统和谐振腔镜之后入射到激光晶体中，当泵浦光能量超过2.79μm振荡的阈值时产生激光，产生的激光从谐振腔镜输出。[0024]本发明的有益效果为：[0025]1)采用端面泵浦方式，能有效的实现泵浦光和振荡光的模式耦合，保证了激光器具有较高的功率、效率、光束质量，以及长期稳定性；
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2)采用脉冲LD泵浦和调Q技术相结合，可以获得高重频(100Hz量级)窄脉冲高峰值
功率激光输出；
[0027]3)采用铒镨双掺杂的激光晶体，可有效降低激光下能级的寿命，大大提高泵浦效率；
[0028]4)整个激光器结构不需水冷，可以采用半导体致冷器(TEC)冷却，使得整个系统体积大大降低。
[0029]本发明有效地克服了之前闪光灯泵浦激光重复频率较低的问题，同时可以缓解激光谐振腔的热效应，并通过谐振腔的合理设计实现良好的腔模匹配，从而获得高效率、高峰值功率、高光束质量的2.79μm铒激光输出。通过合理的配置光学元件，优化的泵浦结构设计，实现了小型化、高效率、高峰值功率、高光束质量的2.79μm波段中红外激光器。附图说明
[0030]图1为本发明的实施例1的结构示意图；[0031]图2为本发明的实施例2的结构示意图；[0032]图3为本发明的实施例3的结构示意图；[0033]图4为本发明的实施例4的结构示意图；[0034]图5为本发明的实施例5的结构示意图；[0035]其中：1、激光泵浦源A，2、聚焦耦合系统A，3、谐振腔镜A，4、激光晶体，5、调Q模块，6、谐振腔镜B，7、谐振腔镜C，8、谐振腔镜D，9、聚焦耦合系统B，10、分束镜，11、12、13为反射镜，14、激光泵浦源B。具体实施方式：
[0036]为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。[0037]实施例1：
[0038]一种高峰值功率2.79微米铒激光器，如图1所示，包括激光泵浦源A1、聚焦耦合系统A2、激光晶体4、调Q模块5、谐振腔镜A3和谐振腔镜B6；
[0039]激光泵浦源A1发出的光经聚焦耦合系统A2之后入射到激光晶体4上，谐振腔镜A3、激光晶体4、调Q模块5和谐振腔镜B6构成2.79μm波段铒激光谐振腔，产生的2.79μm波段中红外激光从谐振腔镜B6端镜输出；[0040]激光晶体4为Er3+、Pr3+共掺的激光晶体，其掺杂浓度的比例为1:3。[0041]本实施例1，采用脉冲激光泵浦源进行端面泵浦，使泵浦光和振荡光斑实现模式匹配，在缓解激光晶体热效应的同时获得高效率、高光束质量2.79μm波段中红外激光输出，本发明结构简单紧凑，可实现激光器的小型化。[0042]实施例2：
[0043]一种高峰值功率2.79微米铒激光器，结构如实施例1所示，所不同的是，如图2所示，还包括谐振腔镜C7，谐振腔镜A1、激光晶体4、调Q模块5、谐振腔镜B6和谐振腔镜C7构成2.79μm波段铒三镜激光谐振腔，产生的2.79μm波段中红外激光从谐振腔镜B端镜输出。[0044]实施例3：
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一种高峰值功率2.79微米铒激光器，结构如实施例2所示，所不同的是，如图3所
示，还包括谐振腔镜D8，谐振腔镜A1、激光晶体4、调Q模块5、谐振腔镜B6、谐振腔镜C7和谐振腔镜D8构成2.79μm波段铒激光谐振腔。[0046]实施例4：
[0047]一种高峰值功率2.79微米铒激光器，结构如实施例2所示，所不同的是，如图4所示，包括聚焦耦合系统B9、一个分束镜10和三个反射镜11、12、13，激光泵浦源A1为双端泵浦结构，双端泵浦结构将激光泵浦源A1发出的光经分束镜10之后分成功率相等的两部分，其中一部分经过聚焦耦合系统A2入射到激光晶体4上，另一部分经分束镜10由反射镜11、12、13反射后再经过聚焦耦合系统B9入射到激光晶体4上，构成双端泵浦结构，谐振腔镜A3、激光晶体4、调Q模块5、谐振腔镜B6和谐振腔镜C7构成2.79μm波段铒三镜激光谐振腔，产生的2.79μm波段中红外激光从谐振腔镜B6端镜输出。
[0048]采用双端泵浦结构可以避免非偏振泵浦光能量的浪费，同时可以缓解激光晶体的热效应，有助于获得高功率、高光束质量的2.79μm波段中红外激光输出。[0049]实施例5：
[0050]一种高峰值功率2.79微米铒激光器，结构如实施例2所示，所不同的是，如图5所示，包括聚焦耦合系统B9和激光泵浦源B14，激光泵浦源A1和激光泵浦源B14发出的光分别经聚焦耦合系统A2和聚焦耦合系统B9入射到激光晶体4上；[0051]激光泵浦源A1为脉冲工作的半导体激光器；调Q模块5是电光调Q模块。[0052]以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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