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CN113948953A - 级联泵浦的掺铒激光器 - Google Patents

级联泵浦的掺铒激光器 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种级联泵浦的掺铒激光器，包括：谐振腔，包括依次设置的第三反射镜、Q开关、掺铒晶体、输出镜；级联增益单元，用于产生第一波长的泵浦光，泵浦所述掺铒晶体，包括分别对称设置于所述掺铒晶体两侧且与所述掺铒晶体呈设定角度的泵浦增益模块；所述掺铒晶体掺杂浓度呈梯度交替变化，受到所述第一波长的泵浦光泵浦后，在所述谐振腔内生成第二波长光，通过所述Q开关调节谐振腔内损耗从而获得第二波长巨脉冲激光。

Description

级联泵浦的掺铒激光器
技术领域
本公开涉及激光器技术及其应用领域，尤其涉及一种级联泵浦的掺铒激光器。
背景技术
近年，中长波同时输出的激光光束在激光目标指示、激光雷达、光电对抗等领域具有较为广阔的应用前景。波长为2.8μm的光子经过非线性频率变换技术，可以分别得到波长为9-12μm的闲频光和3.65-4.06μm的信号光。这两个波段的光束分别对应于大气传播的长波和中波窗口区，因此，得到高光束质量的波长为2.8μm的中红外激光是获得中长波同时输出激光光束的基础。
目前，常用以下几种激光系统得到波长为2.8μm的激光：(1)量子级联激光器；(2)电激励氟化氢；(3)泛频CO激光器；(4)非线性频率变换技术；(5)掺铒激光器。其中，第五种相较于前四种，具有明显的优势：
(1)与量子级联激光器相比，它可以通过调Q技术获得高峰值功率；
(2)与电激励氟化氢相比，它具有单位长度内增益介质的增益大、结构紧凑、无化学污染、寿命长的优点；
(3)与泛频CO激光器相比，它在常温下仍具有较高的光光效率；
(4)与非线性频率变换技术相比，它无非线性损伤问题，可借鉴固体激光散热技术和谐振腔设计技术，以获得高功率激光输出。
因此，掺铒激光器有望成为中长波一体OPO的优质泵浦源。
中长波一体化的OPO对高光束质量、高峰值功率和高平均功率的2.8μm及其附近波段的激光源具有较为迫切的应用需求。掺铒激光器是实现2.8μm及其附近波段光源的主要途径之一。但是，目前的技术路线实现的掺铒激光器难以同时满足高光束质量和高平均功率的光束特性要求。
发明内容
有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种级联泵浦的掺铒激光器，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本公开的一方面，提供了一种级联泵浦的掺铒激光器，包括：谐振腔，包括依次设置的第三反射镜、Q开关、掺铒晶体、输出镜；级联增益单元，用于产生第一波长的泵浦光，泵浦所述掺铒晶体，包括分别对称设置于所述掺铒晶体两侧且与所述掺铒晶体呈设定角度的泵浦增益模块；所述掺铒晶体掺杂浓度呈梯度交替变化，受到所述第一波长的泵浦光泵浦后，在所述谐振腔内生成第二波长光，通过所述Q开关调节谐振腔内损耗从而获得第二波长巨脉冲激光。
根据本公开实施例，设置于所述掺铒晶体两侧的泵浦增益模块包括数量相同的碱金属蒸气激光器增益模块，采用串联技术进行连接。
根据本公开实施例，所述碱金属蒸气激光器增益模块，包括：半导体激光器，用于输出半导体激光；光束整形模块，用于把所述半导体激光光束转化为能量均匀分布的平顶光束；离轴抛物镜，用于反射并聚焦所述平顶光束提高功率密度，得到泵浦光；碱金属蒸气室，充有碱金属单质和缓冲气体，用于在所述泵浦光的作用下实现碱金属原子激光上下两个能级的粒子翻转；以及温控炉，用来控制碱金属蒸气室的温度。
根据本公开实施例，所述离轴抛物镜的中心通光孔和毛细结构碱金属蒸气室在光束传播方向的横截面直径均为mm级别。
根据本公开实施例，所述级联增益单元还包括分别对应所述掺铒晶体两侧的泵浦增益模块设置的第一反射镜和第二反射镜，形成对称的Π型折叠谐振腔。
根据本公开实施例，所述第一波长的泵浦光和所述第二波长光偏振态相互垂直，在所述掺铒晶体的端面实现偏振耦合。
根据本公开实施例，所述谐振腔为双凹腔；所述Q开关为声光Q开关，由二氧化碲制作而成。
根据本公开实施例，所述掺铒晶体两侧的泵浦增益模块中对应设置有多个光电探测器，用于监测所述碱金属蒸气激光器增益模块的增益产生情况。
根据本公开实施例，所述掺铒晶体是在YAP晶体中掺入浓度梯度交替变化的铒离子，得到掺铒晶体；所述掺铒晶体为掺杂段和非掺杂段交替设置，中间区域的掺杂段的掺杂浓度高于两侧区域的掺杂段的掺杂浓度。
基于上述技术方案可知，本公开的级联泵浦的掺铒激光器相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：
(1)本公开采用偏振耦合的端面泵浦结构，相较于侧面泵浦技术，能够得到光束质量更好、功率更高的激光；利用泵浦光的光线偏振，也可以避免端面泵浦时晶体端面的膜层损伤问题。
(2)采用级联泵浦技术，使得端面泵浦亦可实现40mm及其以上级别的模式匹配，级联泵浦的谐振腔结构可以实现较高的模式匹配因子，获得较高光束质量的中红外激光。
(3)采用掺杂浓度梯度交叉变化的掺铒晶体，具有准光纤散热的特点，掺杂区域和未掺杂区域交替出现，有助于解决泵浦过程中的热问题。
附图说明
图1是本公开实施例的级联泵浦的掺铒激光器的结构示意图。
图2是本公开实施例的级联泵浦的掺铒激光器偏振端面泵浦的原理示意图。
具体实施方式
Er3+离子在可见-近红外区域的650nm、795nm、980nm等波长附近具有吸收峰，采用相应波长的光源泵浦，通过交叉弛豫过程，均可获得2.8μm及其附近波长的激光输出。铷蒸气激光器(Rb-DPAL)的输出波长为795nm，处于Er3+离子的795nm吸收带内，借助Rb-DPAL高光束质量的特点，采用端面级联泵浦结构即可实现掺Er3+激光器高功率高光束质量的中红外激光输出。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例及实验设备，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
本公开提供一种级联泵浦的掺铒激光器，结合图1和图2所示，所述级联泵浦的掺铒激光器，包括：
谐振腔，包括依次设置的第三反射镜、Q开关、掺铒晶体、输出镜；
级联增益单元，用于产生第一波长的泵浦光泵浦所述掺铒晶体，包括分别对称设置于所述掺铒晶体两侧且与所述掺铒晶体呈设定角度的泵浦增益模块；
所述掺铒晶体掺杂浓度呈梯度交替变化，受到所述第一波长的泵浦光泵浦后，在所述谐振腔内生成第二波长光，通过所述Q开关调节谐振腔内损耗从而获得第二波长巨脉冲激光。
在本公开实施例中，如图1和图2所示，实线表示级联增益单元得到的第一波长的泵浦光，在本公开实施例中为波长为795nm的激光，它是用来泵浦掺铒晶体的泵浦光，虚线线条表示第二波长的光，在本公开实施例中为2.8μm的中红外激光。
在本公开实施例中，镜M1、M2、M3均为反射镜，镜M4为2.8μm激光的输出镜。
在本公开实施例中，采用声光调Q技术，所述Q开光为声光Q开关，利用晶体的声光效应，当激光通过声光晶体时，谐振腔内的损耗很大，不能起振，当工作物质上能级粒子累积到最大时，突然撤去声光介质中的声场，腔内损耗降低，激光器输出巨脉冲，这样可获得高峰值功率的激光输出。
在本公开实施例中，所述掺铒晶体在YAP晶体中掺入铒离子，得到Er：YAP晶体。YAP晶体属于斜方晶体系，具有良好的热传导性、具有较低的声子能量、在795nm处具有较好的吸收特性且具有较高的受激辐射截面，较易获得高效率的激光振荡。掺铒晶体受到相应波长的光泵浦后，即可输出2.8μm及其附近波长的激光。所述掺铒晶体为掺杂段和非掺杂段交替设置，中间区域的掺杂段的掺杂浓度高于两侧区域的掺杂段的掺杂浓度。之所以使用周期浓度交叉变化的掺铒晶体，是为了使掺铒晶体和未掺铒晶体周期出现，提高晶体的有效散热截面，有助于减弱激光运转过程中的热透镜效应。
在本公开实施例中，LD是半导体激光器，输出半导体激光，其作用是用来泵浦碱金属蒸气室。
在本公开实施例中，所述碱金属蒸气室为铷(Rb)蒸气室。其室内充有Rb金属单质和缓冲气体，选用甲烷作为缓冲气体，蒸气室经聚焦后的半导体激光泵浦后，可以实现Rb金属原子激光上下两个能级的粒子翻转。
在本公开实施例中，光束整形模块是用于把LD发出的激光光束转化为一个能量均匀分布的平顶光斑，经过整形后，照射到离轴抛物镜上。如图1所示，在6个Rb-DPAL增益模块中，均采用了LD作为泵浦源，但是LD由于自身结构的原因，光束在快慢轴方向发散角不同、能量分布不均匀、能量密度低、光束质量差，这些限制了LD的实际应用效果，因此，选用如图1所示的透镜组合来准直LD发出激光光束的快轴方向和慢轴方向，同时压缩光斑大小，实现自由空间的光束整形。
在本公开实施例中，离轴抛物镜可以反射经过整形后的半导体激光并进行聚焦，用于提高泵浦光的功率密度。经离轴抛物面镜反射的光束射向碱金属蒸气室，并使焦点在室内。
温控炉用来控制Rb金属蒸气室的温度，用于提供该种碱金属激光工作所需的工作温度条件。
其中，LD、光束整形、离轴抛物镜和碱金属蒸气室(本公开实施例中为Rb蒸气室)这四者，共同构成碱金属蒸气激光器增益模块。从图1中可以看出，泵浦增益模块一共包括6个级联的碱金属蒸气激光器增益模块，这6个碱金属蒸气激光器增益模块相同，采用串联技术进行连接，可以实现腔内较高的功率密度。本项目通过6个级联碱金属蒸气激光器增益模块构成的级联增益单元，在腔内实现平均功率100W(功率密度＞6kW/cm2)的Rb-DPAL光束，仍工作于Rb-DPAL的线性工作范围。6个Rb-DPAL构成的增益单元，构成Π型的折叠谐振腔，分布于Er：YAP晶体的两端，形成对称的端面泵浦结构。泵浦增益模块的谐振腔为双凹腔，使得Rb-DPAL在腔内的束腰处于Er：YAP晶体的中心，便于实现2.8μm的高增益区。
离轴抛物镜的中心通光孔和毛细结构铷气室在Rb-DPAL光束(第一波长的泵浦光)传播方向的横截面直径均为mm级别，使得Rb-DPAL具有自由空间传输特性的同时，还具有小孔限模的作用，使得Rb-DPAL具有较好的光束质量，可在谐振腔内产生10cm长度量级瑞利距离的高斯聚焦光束。得到的高斯聚焦光束再去泵浦掺铒晶体，即可实现铒离子2.8μm激光上能级和下能级的粒子数翻转，形成增益。
在本公开实施例中，由反射镜M3和输出耦合镜M4组成谐振腔，在Q开关的作用下，调节腔内的损耗大小，实现第二波长巨脉冲光输出。
在本公开实施例中，光电探测器1、2和3是完全相同的，分别用来对第IV、V和VI碱金属蒸气激光器增益模块进行工作状态监测，其作用是为了监测这些增益模块的增益产生情况。
在本公开实施例中，如图2所示，通过控制Rb-DPAL光束和2.8μm光束的偏振态，使偏振态相互垂直的两光束在晶体的端面实现耦合。2.8μm光束相对于YAP晶体入射面以P偏振进入增益介质，对应的入射角为θB1，Rb-DPAL相对于YAP晶体入射面以S偏振进入增益介质，对应的入射角为θB2。这种耦合方式利用了Rb-DPAL偏振输出的特点，只需在Rb-DPAL激光的入射面镀增透膜，避免了高平均功率高峰值功率运转下的端面膜层损伤问题，同时实现了Rb-DPAL光束和2.8μm光束的高效耦合。
在本公开实施例中，如图2所示，掺Er激光器的谐振腔采用双凹腔结构，同时，腔内放置声光Q开关，用于实现高峰值功率的2.8μm光束。本公开采用的Q开关由二氧化碲(TeO2)制作。采用TeO2制作的声光Q晶体的激光透过率大于99％，通过TeO2的声光效应调制腔内损耗，获得2.8μm的巨脉冲。
由于掺铒晶体在连续泵浦时，存在自终止效应，因此，本公开采用长脉冲泵浦的方式，通过实验结果对泵浦光脉冲宽度进行优化；参照掺Er晶体不同热量累积时的有限元分析结果，优化掺Er晶体的散热结构，获得长时间稳定输出的2.8μm脉冲光。
本公开的可替代技术方案如下：
(1)光电探测器也可以测量左边的三个Rb-DPAL增益模块，用以监测工作状态。
(2)碱金属蒸气室的缓冲气体还可以选用其他成分，如氦气、乙烷等。
(3)Rb-DPAL增益模块不一定要求是6个串联，还可以串联4个，也可以串联8个等。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种级联泵浦的掺铒激光器，其特征在于，包括：
谐振腔，包括依次设置的第三反射镜、Q开关、掺铒晶体、输出镜；
级联增益单元，用于产生第一波长的泵浦光，泵浦所述掺铒晶体，包括分别对称设置于所述掺铒晶体两侧且与所述掺铒晶体呈设定角度的泵浦增益模块；
所述掺铒晶体掺杂浓度呈梯度交替变化，受到所述第一波长的泵浦光泵浦后，在所述谐振腔内生成第二波长光，通过所述Q开关调节谐振腔内损耗从而获得第二波长巨脉冲激光。
2.根据权利要求1所述的级联泵浦的掺铒激光器，其特征在于，设置于所述掺铒晶体两侧的泵浦增益模块包括数量相同的碱金属蒸气激光器增益模块，采用串联技术进行连接。
3.根据权利要求2所述的级联泵浦的掺铒激光器，其特征在于，所述碱金属蒸气激光器增益模块，包括：
半导体激光器，用于输出半导体激光；
光束整形模块，用于把所述半导体激光光束转化为能量均匀分布的平顶光束；
离轴抛物镜，用于反射并聚焦所述平顶光束提高功率密度，得到泵浦光；
碱金属蒸气室，充有碱金属单质和缓冲气体，用于在所述泵浦光的作用下实现碱金属原子激光上下两个能级的粒子翻转；以及
温控炉，用来控制碱金属蒸气室的温度。
4.根据权利要求3所述的掺铒中红外激光器，其特征在于，所述离轴抛物镜的中心通光孔和毛细结构碱金属蒸气室在光束传播方向的横截面直径均为mm级别。
5.根据权利要求2所述的级联泵浦的掺铒激光器，其特征在于，所述级联增益单元还包括分别对应所述掺铒晶体两侧的泵浦增益模块设置的第一反射镜和第二反射镜，形成对称的Π型折叠谐振腔。
6.根据权利要求1所述的级联泵浦的掺铒激光器，其特征在于，所述第一波长的泵浦光和所述第二波长光偏振态相互垂直，在所述掺铒晶体的端面实现偏振耦合。
7.根据权利要求1所述的级联泵浦的掺铒激光器，其特征在于，所述谐振腔为双凹腔；所述Q开关为声光Q开关，由二氧化碲制作而成。
8.根据权利要求1所述的级联泵浦的掺铒激光器，其特征在于，所述掺铒晶体两侧的泵浦增益模块中对应设置有多个光电探测器，用于监测所述碱金属蒸气激光器增益模块的增益产生情况。
9.根据权利要求1所述的级联泵浦的掺铒激光器，其特征在于，所述掺铒晶体是在YAP晶体中掺入浓度梯度交替变化的铒离子，得到掺铒晶体；所述掺铒晶体为掺杂段和非掺杂段交替设置，中间区域的掺杂段的掺杂浓度高于两侧区域的掺杂段的掺杂浓度。
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