[发明专利]一种近中红外双波长掺Er单晶光纤级联激光器

说明书

本发明公开了一种近中红外双波长掺Er单晶光纤级联激光器。该激光器包括：激光工作物质为Er:YAP单晶光纤；两个谐振腔结构。本发明将Er:YAP单晶光纤与级联激光技术相结合，可以改善Er:YAP的散热及Er³⁺的⁴I_13/2能级寿命较长的不足，获得低阈值、高效率及高重复频率的1.6μm与2.7μm附近的双波长激光输出，不仅能改善⁴I_13/2能级寿命长对2.7μm附近波长激光输出的不利影响，而且可以降低Er³⁺的掺杂浓度，能够保持单晶光纤的高光学质量和高热导率，提高2.7μm附近波长的激光效率、重复频率等激光综合性能，从而可以满足通讯、生物医学、科学研究及国防安全等领域的应用需求。

技术领域

本发明涉及激光技术领域，更具体的涉及一种近中红外双波长掺Er单晶光纤级联激光器。

背景技术

掺铒离子激光材料，其中⁴I_13/2→⁴I_15/2和⁴I_11/2→⁴I_13/2的能级跃迁可分别产生1.6和2.7μm波段附近的激光，1.6μm附近激光波长对人眼安全，可以用于通讯领域，2.7μm波段附近与水的强吸收峰位置重叠，因而水对它的吸收率特别高，是精细外科手术理想的工作波段，这一性质使铒激光在生物和医学领域已得了非常广泛的应用。另外，用2.7μm的激光泵浦红外非线性晶体实现光参量振荡能够获得3～19μm的红外光源，可用于光电对抗(干扰)、红外照明、激光雷达、自由空间通信、化学和生物战剂的探测、环境污染监测以及反恐等领域。此外，在某些应用领域还需要激光具有低阈值、高效率及高重复频率等性能。

由于固体激光晶体元件的直径无法加工到很细，通常在1mm以上，从而导致晶体棒中心部位得不到很好地冷却，因此较强的热透镜效应严重限制了激光效率及重复频率等综合性能的提高。相比之下，光纤散热特性优良，光纤激光具有光光转换效率高、输出光束质量好和维护成本低或免维护等优点。与玻璃光纤相比，单晶光纤是将晶体材料生长成纤维状的单晶体，直径几微米至数百微米，它能够结合单晶和光纤增益的双重优点，而且在某些特性上表现更为突出。作为一种新型的高性能光学材料，其具有抗电磁干扰、耐腐蚀和传光性好等优点，除被用于全息数据储存、红外激光传导以及高温探测等领域外，还可用于单晶光纤激光器和单晶光纤放大器。

尽管单晶光纤激光已经得到快速的发展，但是其输出波长主要集中在2.3μm以下，而中红外波段2.7-3μm波段的单晶光纤激光研究却尚未见有报道。YAlO₃(YAP)晶体是优良的固体激光基质材料，它是一种双光轴晶体，属正交晶系，其空间群为P_bnm，该晶体各向异性，使其具有很多优点。第一，YAP晶体和YAG(Y₃Al₅O₁₂)晶体在热力学及机械性能方面比较相似；第二，当在较高功率泵浦的条件下，YAP晶体的自然双折射超越热双折射而占主导地位，所以可以忽略由于热双折射带来的不利影响；第三，激活离子掺杂的YAP晶体可以产生线性偏振的激光；第四，通过改变光场矢量在晶体中的方向，可实现激光波长的小范围调谐；第五，YAP的声子能量(570cm^-1)较低，是实现中红外激光较理想的基质材料，并且采用熔体提拉法可以获得高光学质量的单晶。目前已有在Er:YAP晶体中，获得单脉冲能量240mJ的2.7μm激光输出结果的报道(曾瑞荣等，2.7μm的Er:YAP激光器，中国激光，1990-S1)。在提拉法生长出高光学质量Er:YAP单晶的基础上，进一步使用激光加热基座法等可以拉制成高质量的Er:YAP单晶光纤，用于激光器中，可大大减小热透镜效应，提高激光的综合性能。