[发明专利]一种高功率中红外级联全固态激光器

说明书

技术领域：

本发明属于全固态固体激光设备技术领域，涉及一种高功率中红外级联全固态激光器，基于3μm波段激活离子的能级结构特征，采用级联激光的技术手段提高3μm波段激光的转换效率，实现高效率、高功率的3μm波段激光输出。

背景技术：

近年来，中红外波段(3～5μm)激光逐渐成为国际激光技术领域的研究热点。中红外波段激光在环境监测、医学诊断和治疗以及国家安全等方面都有着重要的应用，是当前急需发展的关键技术，Nature Photonics2012年发表专刊高度评价了中红外激光的科学研究价值。目前固体激光技术产生3μm波段激光的技术路线主要有光学参量振荡器(OPO)、光纤激光器以及全固态激光，其中光学参量振荡器转换效率较低，并且其结构复杂，可操作性能差；而3μm波段光纤激光器比较脆弱，熔点低，且损伤阈值低，不利于脉冲激光运转，极大地限制了高质量的3μm波段激光的产生；全固态激光器直接产生3μm波段激光起步相对较早，但发展非常缓慢，相比于较成熟的1μm等近红外波段激光动辄上百瓦的输出功率，3μm固体激光技术发展已经严重滞后，输出功率和转换效率都远远偏低，这主要是由于短波长抽运产生长波长激光本身的量子效率较低，而且产生中红外激光需要低声子能量的激光基质，可供选择的固体激光介质相对较少，使得直接获得高效率、高功率的3μm波段固体激光输出十分困难。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，这对现有3μm全固态激光技术输出功率和转换效率都远远偏低的现状，寻求设计提供一种高功率中红外级联全固态激光器，将级联激光的技术手段应用于3μm全固态掺钬激光器中，实现高效率、高功率的3μm连续激光输出。

为了实现上述目的，本发明的主体结构包括掺钬氟化物激光晶体、后腔镜、前腔镜、晶体冷却上热沉、晶体冷却下热沉、泵浦源、耦合准直透镜和耦合聚焦透镜；晶体冷却上热沉和晶体冷却下热沉之间嵌入式安装有掺钬氟化物激光晶体，均为紫铜材质的晶体冷却上热沉和晶体冷却下热沉中间通冷却水冷却；板条或块状结构的掺钬氟化物激光晶体采用声子能量低的氟化物为基质，其长度l为10mm～30mm，宽w为3mm，厚d介于1mm～1.2mm；掺钬氟化物激光晶体的前端平行放置有前腔镜，后端平行放置有后腔镜；CaF₂材料制成的后腔镜和前腔镜均为平平镜，后腔镜上镀有2.1μm和2.9μm的全反膜，前腔镜为输出镜，输出2.1μm和2.9μm的激光；后腔镜的后面放置有耦合聚焦透镜，耦合聚焦透镜的后端依次放置有耦合准直透镜和泵浦源；泵浦源的中心波长为1150nm，泵浦源为激光二极管阵列、尾纤输出的激光二极管或激光器；耦合准直透镜和耦合聚焦透镜将泵浦源发出的激光入射到掺钬氟化物激光晶体被吸收。

本发明的工作原理是：钬氟化物激光晶体中的Ho³⁺能级⁵I₆到能级⁵I₇的跃迁产生3μm激光，其中3μm激光下能级⁵I₇能级寿命为16ms，提高了实现3μm激光粒子数反转的难度，同时⁵I₇能级上积累的粒子将无辐射跃迁到基态⁵I₈能级，产生热量，影响3μm激光的转换效率；而3μm激光下能级⁵I₇为Ho³⁺中产生2μm激光的上能级，所以采用“级联激光”的技术手段实现Ho³⁺全固态激光3μm(能级⁵I₆→能级⁵I₇)和2μm(能级⁵I₇→能级⁵I₈)的同时输出，降低Ho³⁺中3μm激光下能级粒子数，削弱无辐射跃迁造成的热效应影响，从而获得高效率、低阈值的3μm连续激光，同时还可以实现2μm的激光输出，更加高效的利用泵浦光的能量。