铥钬双掺激光器、激光增益介质和波长调控方法
【专利摘要】本发明提供铥钬双掺激光器、激光增益介质和波长调控方法，包括：铥钬双掺激光增益介质，泵浦源；所述铥钬双掺激光增益介质包括：掺杂浓度为0.01at.%-1at.%的钬离子，和满足钬铥离子掺杂浓度比1:5-1:80的铥离子；所述泵浦源用于为所述铥钬双掺激光增益介质提供泵浦能量；所述激光器根据所述铥钬双掺激光增益介质的铥钬离子掺杂浓度比，采用增益损耗比自适应控制能量转移波长调控技术调控输出波长。本发明的波长调谐机制独特，能够实现新波长输出，并扩展波长调节范围，实现1.95-2.13μm基本可连续调谐激光输出，结构简单，稳定性好，能够很好地满足应用需求。
【专利说明】铥钬双掺激光器、激光增益介质和波长调控方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及全固态激光器领域，尤其涉及铥钦双掺激光器、激光增益介质和波长调控方法。
【背景技术】
[0002]铥(Tm)和铥敏化的钦(Ho)激光器的输出波长在2 μ m附近区域，该激光波段在相干雷达系统、遥控传感系统和医疗领域存在重要应用价值。单纯掺铥的增益介质，可以产生
2μ m的激光辐射；铥钦双掺的增益介质中，铥离子吸收泵浦辐射，将能量传递到钦离子，输出钦的辐射波长，从而扩展波长范围，满足应用需求。
[0003]现有铥钦双掺激光器输出波长调控技术主要为:输出耦合率调控输出波长，或选频元件选频。其中输出耦合镜调控波长技术，采用不同输出耦合率的输出镜调控腔内损耗以及重吸收过程，从而实现波长调控。选频元件选频技术，采用选频元件，如标准具，调谐波长。
[0004]但是，以上这两种技术最大的不足之处在于，激光器仅能输出特定波长或者在该特定波长附近小范围调谐，可实现的输出波长有限且调谐范围小。
【发明内容】
[0005](一)要解决的技术问题
[0006]本发明提供铥钦双掺激光器、激光增益介质和波长调控方法，以解决现有技术中可输出的波长有限的技术问题。
[0007](二)技术方案
[0008]为解决上述技术问题，本发明提供一种波长可调控的铥钦双掺激光器，包括:铥钦双掺激光增益介质和泵浦源；
[0009]所述铥钦双掺激光增益介质包括:掺杂浓度为0.0lat.%-lat.%的钦离子，和满足钦铥离子掺杂浓度比1:5-1:80的铥离子；
[0010]所述泵浦源用于为所述铥钦双掺激光增益介质提供泵浦能量；所述激光器用于根据所述铥钦双掺激光增益介质的铥钦离子掺杂浓度比，采用增益损耗比自适应控制能量转移波长调控技术调控输出波长。
[0011]进一步地，所述铥钦双掺激光增益介质为:
[0012]铥钦离子均匀掺杂的激光增益介质；或，铥钦双掺复合材料激光增益介质；
[0013]所述铥钦双掺复合材料激光增益介质结构包括:铥钦离子均匀掺杂材料通光端面的一面或两面组合未掺杂的基质材料；或，铥钦离子均匀掺杂材料通光端面的一面或两面组合非线性晶体材料；
[0014]所述基质材料为:钇铝石榴石、氟化锂钇、钒酸钆、铝酸钇、钒酸钇中的一种或多种。
[0015]进一步地，所述铥钦双掺激光增益介质为:掺杂功能性离子的铥钦双掺激光增益介质。
[0016]进一步地，所述功能性离子为:铬。
[0017]进一步地，
[0018]所述钱钦双掺激光增益介质为:棒状、板条状、或块状；
[0019]和/或，所述铥钦双掺激光器的工作方式为:连续运转、准连续运转或脉冲运转；
[0020]和/或，所述铥钦双掺激光器的泵浦方式为:侧面泵浦，端面泵浦，或大面泵浦。
[0021]进一步地，所述激光器还包括:
[0022]激光谐振腔，用于实现激光振荡，所述铥钦双掺激光增益介质置于所述激光谐振腔内；
[0023]和/或，放大光学结构，用于实现激光放大或者再生放大，所述铥钦双掺激光增益介质置于放大光学结构内；
[0024]和/或，热管理系统，用于为所述激光器提供有效热管理和固定支撑。
[0025]另一方面，本发明还提供一种铥钦双掺激光增益介质，包括:掺杂浓度为
0.0lat.%-lat.%的钦离子，和满足钦铥离子掺杂浓度比1:5-1:80的铥离子，用于接收和转移泵浦源的泵浦能量，输出可调控波长范围为1.95-2.13 μ m的激光。
[0026]进一步地，
[0027]所述铥钦双掺激光增益介质用于固体激光器，光纤激光器，波导激光器。
[0028]再一方面，本发明还提供一种波长可调控的铥钦双掺激光器输出波长调节方法，所述方法为:采用增益损耗比自适应控制能量转移波长调控技术控制激光器输出波长；具体包括:
[0029]利用增益损耗比自适应控制能量转移波长调控技术，即利用控制铥钦两种稀土离子掺杂浓度比，调控铥钦双掺增益介质中离子间各种能量转移过程的能量传递速率以及离子斯塔克精细能级结构，控制产生粒子数聚集的能级，结合辅助激光器结构设计即可调控激光器输出波长，该技术还可调控激光器增益介质的热分布，提高光束质量以及激光器输出效率；
[0030]其调控机制为:铥钦双掺增益介质中，掺杂离子吸收780_789nm附近泵浦能量，处于激发态能级的电子通过辐射跃迁过程，或者碰撞、共振等无辐射跃迁过程实现掺杂离子间能量转移；铥钦掺杂浓度比不同，激光增益介质中能态密度、离子间距、能级寿命等因素不同，所述离子间各种能量转移过程的增益损耗比不同，能量传递速率不同，产生粒子数聚集的能级不同，从而输出波长不同，可实现波长调控；同时，掺杂离子浓度不同，离子间作用强度不同，斯塔克能级分裂数目，能隙以及位移不同，精细结构不同，可实现波长精细调节；结合辅助激光器结构设计调节辐射激光增益系数以及损耗系数即可调控激光器输出波长。
[0031]进一步地，
[0032]所述铥钦双掺激光器输出波长调节方法用于固体激光器，光纤激光器，波导激光器。
[0033](三)有益效果
[0034]可见，在本发明提供的铥钦双掺激光器、激光增益介质和波长调节方法中，能够利用增益损耗比自适应控制能量转移波长调控技术，即利用控制铥钦两种稀土离子的特殊掺杂浓度比，来调控铥钦双掺增益介质中离子间各种能量转移过程的能量传递速率以及离子斯塔克精细能级结构，从而控制产生粒子数聚集的能级，结合辅助激光器结构设计以调控激光器输出波长，该技术还可调控激光器增益介质的热分布，提高光束质量以及激光器输出效率。本发明的波长调谐机制独特，能够实现新波长输出，并扩展波长调节范围，以实现从1.95 μ m至2.13 μ m范围的基本可连续调谐激光输出，结构简单，稳定性好，能够很好地满足应用需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]图1是本发明实施例1铥钦双掺激光器的基本结构示意图；
[0037]图2是本发明实施例1铥离子的斯塔克精细能级结构示意图；
[0038]图3是本发明实施例1钦离子的斯塔克精细能级结构示意图；
[0039]图4是本发明实施例1离子间的能量转移示意图；
[0040]图5是本发明实施例1铥钦双掺激光器的优选结构示意图；
[0041]图6是本发明实施例2铥钦双掺激光器的结构示意图；
[0042]图7是本发明实施例2侧面激光泵浦模块的横截面结构示意图；
[0043]图8是本发明实施例3的铥钦双掺激光增益介质切割形状示意图；
[0044]图9是本发明实施例3铥钦双掺激光器的结构示意图；
[0045]图10是本发明实施例4制作的板条准连续激光放大器结构图。
【具体实施方式】
[0046]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]实施例1:
[0048]本发明实施例1提供一种波长可调控的铥钦双掺激光器，参见图1，包括:铥钦双掺激光增益介质I和泵浦源2 ；
[0049]铥钦双掺激光增益介质I包括:掺杂浓度为0.0lat.%-lat.%的钦离子，和满足钦铥离子掺杂浓度比1:5-1:80的铥离子；
[0050]泵浦源2用于为所述铥钦双掺激光增益介质提供泵浦能量，辅助谐振放大光学结构实现激光振汤或者激光放大；
[0051]本发明实施例1的激光器用于根据铥钦双掺激光增益介质I的铥钦离子掺杂浓度t匕，采用增益损耗比自适应控制能量转移波长调控技术调控输出波长。
[0052]本发明实施例提出的增益损耗比自适应控制能量转移波长调控技术是:利用控制铥钦两种稀土离子掺杂浓度比，调控铥钦双掺增益介质中离子间各种能量转移过程的能量传递速率以及离子斯塔克精细能级结构，从而控制产生粒子数聚集的能级，结合辅助激光器结构设计即可调控激光器输出波长。
[0053]其中增益损耗比自适应控制能量转移波长调控技术具体实现机制为:
[0054]铥钦双掺激光增益介质I中的掺杂离子吸收780_789nm附近泵浦能量，使电子跃迁至激发态能级，处于激发态能级的电子通过辐射跃迁过程，或者碰撞、共振等无辐射跃迁过程实现掺杂离子间能量转移。
[0055]其中，辐射跃迁能量转移主要通过两个能级间发射谱与吸收谱的交叠实现。其能量转移机制为，处于激发态能级的电子A跃迁至基态能级或者能量较低能级并辐射光子，所述辐射光子可以被其它处于基态能级或者激发态能级的电子B吸收，将电子B激发到激发能与光子能量相等的较高能级，从而实现辐射跃迁能量转移。如图2、图3所示铥离子与钦离子斯塔克精细能级以及各能级间隔，铥离子激发态能级3H4与激发态能级3F4的能级间距，和激发态能级3F4与基态能级3H6间能级间距匹配，能级间辐射或者吸收谱线(辐射或者吸收波长范围)存在交叠，因此，处于3H4激发态能级的Tm3+，把部分能量传递给相邻的处于基态3H6的Tm3+离子，使之跃迁至3F4激发态能级，同时自己跃迁到3F4激发态能级，实现铥离子间的能量转移，如图4所示。这种辐射跃迁过程为铥离子间的交叉弛豫过程或者铥离子自淬灭过程，交叉弛豫过程能量也可以逆向传输。
[0056]同理，铥离子的3F4能级与3H6能级之间的能级间距，钦离子5I7与5I8能级间能级间距，钦离子5I7与5I5间能级间距交叠，通过能级间光子辐射与吸收过程，可以实现铥离子与钦离子，或者钦离子与钦离子间的能量转移。
[0057]而无辐射跃迁能量传输不伴随辐射或者吸收光子，通过携带能量的激发态电子间相互作用交换能量。例如，热运动中的电子相互碰撞，交换部分或者全部能量，从而实现能量转移以及能级跃迁；或者电偶极子近共振作用交换能量，实现能量转移以及能级跃迁，如图4中的Tm3+的3F4至Ho3+的5I7能量传递所示。
[0058]离子之间各种能量转移过程，使得离子吸收能量后分布于掺杂离子的各激发态能级及其斯塔克精细能级，由于离子内部各激发态能级及其精细能级的能级寿命、发射强度，以及吸收光子能力不同，因此增益损耗比不同，能量传递速率不同，粒子数分布不同。当铥离子浓度低时，交叉弛豫过程以及碰撞等无辐射跃迁受抑制，铥离子之间以及铥钦离子间能量转移过程的能量传递速率减小，3H4能级粒子数聚集。当铥离子浓度增大，则自淬灭效应加重，3F4能级离子数积累增多，铥离子3F4与3H6能级跃迁增强，有利于实现1.1 μ m-2.08 μ m波长的激光输出。同时由于碰撞以及近共振几率增大，铥钦离子之间能量转移过程的能量传递速率增强，有利于钦离子5I7能级形成粒子数聚集。当钦离子浓度增加时，吸收光子几率增大，碰撞以及近共振等无辐射跃迁效应加强，能量向钦离子转移速率增大，有利于钦离子5I7能级产生离子数聚集，同时上转化几率增加，热效应加剧。
[0059]因此，铥钦掺杂浓度比不同，铥钦双掺激光增益介质I中的能态密度、离子间距、能级寿命等因素不同，会使得离子间各种能量转移过程的能量传递速率不同，产生粒子数聚集的能级不同，从而输出波长不同，以实现波长调控。同时，掺杂离子浓度不同，离子间作用强度不同，斯塔克能级分裂数目，能隙以及位移不同，精细结构不同，可实现波长精细调节。当进一步结合辅助激光器结构设计以调节辐射激光增益系数以及损耗系数时，即可调控激光器输出波长，实现1.95 μ m-2.13 μ m的基本可连续调谐激光输出。
[0060]可见，在本发明实施例提供的铥钦双掺激光器中，能够利用本发明实施例首次提出的增益损耗比自适应控制能量转移波长调控技术，即利用控制铥钦两种稀土离子的特殊掺杂浓度比，来调控铥钦双掺增益介质中离子间各种能量转移过程的能量传递速率以及离子斯塔克精细能级结构，从而控制产生粒子数聚集的能级，以调控激光器输出波长，同时该技术可以调控激光器增益介质的热分布，从而提高光束质量以及激光器输出效率。本发明实施例的波长调谐机制独特，能够实现新波长输出，并扩展波长调节范围，结构简单，稳定性好，能够很好地满足应用需求。
[0061]优选地，铥钦双掺双掺激光增益介质I可以是:铥钦离子均匀掺杂材料，或者在铥钦离子均匀掺杂材料的通光端面键合或者光胶其他材料形成的复合材料。
[0062]优选地，复合材料可以是均匀掺杂材料通光端面中的一面或两面键合没有掺杂的基质材料从而缓解热效应，也可以是均匀掺杂材料通光端面中的一面或两面键合或者光胶非线性晶体材料，以实现非线性频率变化，得到其他波长输出。
[0063]优选地，铥钦双掺激光增益介质I的复合材料中的基质材料可以是:钇铝石榴石(￥八6)、氟化锂钇(￥1^)、钒酸钆(6(^04)、铝酸钇(￥4?)、钒酸钇(￥￥04)，也可以根据设计需要采用其它材料。
[0064]优选地，铥钦双掺激光增益介质I中可以掺杂功能性离子，以提高激光器效率或激光器工作性能。
[0065]优选地，铥钦双掺激光增益介质I中所掺杂的功能性离子可以是:铬，以提高激光器效率。
[0066]优选地，铥钦双掺激光增益介质I的外形可以是棒状、板条状、块状或其他根据激光器需要特殊设计的形状。
[0067]优选地，泵浦源2的泵浦方式可以为侧面泵浦，也可以为端面泵浦。泵浦波长可以为780-789nm,也可以根据功`能性离子掺杂情况具体确定。
[0068]优选地，铥钦双掺激光器的工作方式可以是:连续运转、准连续运转或脉冲运转。
[0069]优选地，铥钦双掺激光器的泵浦方式可以为:侧面泵浦，端面泵浦，或大面泵浦。
[0070]优选地，激光器可以用于激光振荡，也可以用于激光放大，相应地，激光器还可以包括:激光谐振腔或放大光学结构3，见图5，用于实现激光振荡或激光放大，铥钦双掺激光增益介质I置于激光谐振腔或放大光学结构3内。
[0071]优选地，激光器还可以包括:热管理系统4，用于为激光器提供有效热管理和固定支撑。
[0072]实施例2:
[0073]本实施例2提供一种波长2.06 μ m侧面泵浦调Q脉冲Tm，HckYLF激光振荡器，采用双棒串接技术提高转化效率，腔内加入调Q元件，实现2.06 μ m脉冲激光输出。
[0074]本实施例2中铥钦双掺激光增益介质为铥离子与钦离子均匀掺杂的圆棒，铥离子掺杂浓度为3at.%，钦离子与铥离子掺杂浓度比为1:30，基质材料为YLF，尺寸为
03mm X 80mm。
[0075]参考图6，两个铥钦双掺激光增益介质I分别固定于两个侧面泵浦源激光模块2中，侧面泵浦源激光模块2为铥钦双掺激光增益介质I提供泵浦能量、热管理以及固定支撑。两个调Q原件5同步工作为系统提供水平方向与垂直方向损耗系数周期性调节。两个侧面泵浦源2以及两个调Q原件5置于激光谐振腔3内。上述元件均共轴放置，光泵浦条件下实现2.06 μ m脉冲激光输出。
[0076]其中侧面泵浦源激光模块2由半导体二极管泵浦源2-1 (LD)、增益介质冷却密封腔2-2、聚光腔2-3、LD热沉2-4、支撑结构2_5、端盖以及固定封装结构集装而成，如图7所示。增益冷却密封腔2-2、聚光腔2-3共轴放置，并由激光器模块前后端盖固定。LD环绕激光增益介质棒一周实现五向阵列均匀排布，每两向LD阵列间放置支撑结构2-5，与LD位置相对应。聚光腔2-3环绕铥钦双掺激光增益介质I均匀分布，并开有泵浦光通光口径，允许LD发射的泵浦激光进入聚光腔2-3内被铥钦双掺激光增益介质I吸收，并将未被利用的泵浦光反射回铥钦双掺激光增益介质I上进行重复吸收。LD沿铥钦双掺激光增益介质I轴向呈直线阵列均匀排布，每个LD直线阵列封装在内部有冷却通道的无氧铜LD热沉2-4上，热沉2-4两端固定于前后端头。激光谐振腔3由2.06 μ m激光高反镜3_1与2.06 μ m激光透过率为15%的激光输出镜3-2组成，激光谐振腔3对泵浦条件下铥钦双掺激光增益介质I辐射激光产生正反馈实现激光振荡；冷却介质由侧面泵浦源激光模块2冷却介质进口流入侧面泵浦源激光模块2冷却通道，经铥钦双掺激光增益介质I冷却密封腔2-2以及LD热沉2-4，对铥钦双掺激光增益介质I以及LD进行散热，并由冷却介质出口流出。冷却介质在冷却通道中循环降温并对其精确控温。调Q原件5为激光器提供周期性损耗，实现脉冲输出。
[0077]在本实施例中的铥钦双掺激光增益介质I掺杂浓度条件下，钦离子5I7能级粒子数聚集，有利于2.06 μ m的激光输出，上述谐振腔设计为2.06 μ m的激光提供高增益系数以及低损耗，从而实现2.06 μ m激光输出。本实施例2提供的2.06 μ m侧面泵浦调Q脉冲激光振荡器设计，能量存储能力大，偏振输出激光峰值功率大，转化效率高。
[0078]实施例3:
[0079]本实施例3提供一种2.13 μ m单块非平面环形腔Tm，Ho:YAG单频激光器。785nmLD端面泵浦端面键合单块非平面增益介质，实现2.13 μ m单模连续激光输出。
[0080]本实施例3中，铥钦双掺激光增益介质的铥离子掺杂浓度为IOat.%，钦离子与铥离子掺杂浓度比为1:5,基质材料为YAG,尺寸为20mmX IOmmX 4mm,增益介质制作成如图8所示的单块非平面环形腔形状。A点所在平面为泵浦面，A点是泵浦光的入射点以及振荡激光的输出点，C，D，E所在的3个面是全反面。在铥钦双掺激光增益介质I中，振荡激光沿A，B，C，D，E，F振荡形成非平面环形腔结构，光在C，D和E点发生全内反射，同时全内反射引入的相位延迟，其作用等效于波片。A点所在的泵浦面镀有介质膜，该介质膜对785nm LD泵浦光高透，同时对2.13 μ m振荡激光的S偏振光输出透过率为2.5%，P偏振光高反。上述涉及到的几何光学知识和非线性光学知识，为本专业人员熟知和掌握。H为外加磁场的方向，利用腔内顺时针和逆时针方向振荡的S和P偏振态的光在腔内不同空间取向的全反射面(图中C，D，E所在的面)上的相位延迟，由外加磁场H引入的法拉第旋光效应及输出耦合面的镀膜可保证腔内只有沿某一方向的一个偏振态的光起振，从而保证单频振荡。
[0081]本实施例中，泵浦源2为785nm的连续输出光纤半导体激光器，光纤芯径100 μ m,数值孔径为0.22，激光器结构如图9所示。泵浦光经光纤2-1以及耦合装置2-2后以45ο入射至泵浦面的A点，经键合面折射后进入增益介质被充分吸收实现泵浦过程。泵浦光经过耦合装置前后腰斑比例为1:1。
[0082]本实施例中，采用的外加磁场装置为两块永久磁铁，放置于铥钦双掺激光增益介质I的纵向两端，使得铥钦双掺激光增益介质I处于如图9所示磁场方向H方向(沿铥钦双掺激光增益介质I纵向方向)。
[0083]本实施例中键合铥钦双掺激光增益介质I放置于如图9所示的温度控制装置4中，该装置由一个TEC制冷器和一个紫铜散热底座构成；TEC制冷器的制冷面紧贴晶体，其吸收的热量被传递给散热底座进行散热；该温度控制装置将键合增益介质温度精确控制在8V。
[0084]本实施例中的铥钦双掺激光增益介质I掺杂浓度条件下，钦离子5I7能级粒子数聚集占优势，5I7斯塔克精细子能级5228cm—1向5I8精细能级子能级535cm—1跃迁，实现2.13 μ m激光输出。上述谐振腔设计为2.13 μ m激光提供高增益系数以及低损耗，从而实现2.13 μ m激光输出。本实施例提供的2.13 μ m端面泵浦单块非平面环形腔激光器，光束质量好，功率和频率稳定，结构紧凑，稳定性好。
[0085]实施例4:
[0086]本实施例4提供一种1.95 μ m Tm, Ho:GdV04板条准连续激光放大器，泵浦光沿Z形光路侧面泵浦，种子激光在增益介质内沿Z形传播实现功率放大。
[0087]参考图10，本实施例中，铥钦双掺激光增益介质I中掺杂功能性离子铬离子，以提高激光器效率。铥钦双掺激光增益介质I的离子掺杂浓度为:铬离子0.8at.%、铥离子
0.8at.%、钦离子0.0lat.%，基质材料为GdV04，尺寸为78mmX 30mmX 3mm，其端面与大面切成45度角。铥钦双掺激光增益介质I的两个大面平行，两个端面也平行，端面镀2.037 μ m增透膜，当激光垂直端面输出时，将在板条的两个大面上反射26次。
[0088]本发明实施例所用泵浦光为截面尺寸为17.3mmX30mm的准直光束。泵浦光进入上窗口石英玻璃板2-3后，以一定角度入射并穿过板条铥钦双掺激光增益介质1，在另一块与上窗口石英玻璃板2-3相对的下窗口石英玻璃板2-4表面反射后，再次穿过板条，泵浦光按此规律在这两块相对的玻璃板之间来回反射，并沿Z形光路传输，为激光放大器提供能量。玻璃板2-3选用90mmX30mmX5mm的石英玻璃板,玻璃板间距离为17mm。
[0089]泵浦光垂直入射到泵光耦合器2-5上，从上窗口石英玻璃板2-3内表面以45度角出射，通过板条铥钦双掺激光增益介质I后，同样以45度角入射到下窗口石英玻璃板2-4上，再次反射后，再次通过板条铥钦双掺激光增益介质I。本发明实施例中，在上窗口石英玻璃板2-3泵浦光入射的表面区域镀45度785nm高透膜，在下窗口石英玻璃板2_4上泵浦光反射的区域镀45度785nm高反膜。以此类推，在接下来第二次及之后的石英玻璃板上反射泵浦光的区域同样镀45度785nm高反膜。板条铥钦双掺激光增益介质I的两个大面均镀45度785nm高透膜，板条铥钦双掺激光增益介质I的两个大面被冷却微通道4_1内Imm厚的高速流动冷却水包围。
[0090]当一束截面尺寸为3mmX 30mm的1.95 μ m的准直激光，从板条铥钦双掺激光增益介质I的端面中心垂直入射到板条铥钦双掺激光增益介质I上，激光将在板条内部上下大面之间发生全内反射，沿Z形光路传输，在泵浦光的作用下，该束激光在强度上会得到放大。
[0091]在本实施例中的增益介质掺杂浓度条件下，铥离子3F4能级粒子数聚集，有利于
1.95 μ m激光输出，上述谐振腔设计为1.95 μ m激光提供高增益系数以及低损耗，从而实现
1.95 μ m激光输出。本实施例提供一种Z形光路侧面泵浦的板条激光其装置，可有效的降低泵浦光整形难度，功能性掺杂离子铬离子可提高泵浦效率。同时，泵浦光沿Z形光路反复多次通过板条，可优化泵浦光的吸收效率，更容易实现高平均功率、高光束质量与高效率的固体激光输出。
[0092]实施例5:
[0093]本发明实施例5提供一种铥钦双掺激光增益介质，包括:掺杂浓度为
0.0lat.%-lat.%的钦离子，和满足钦铥离子掺杂浓度比1:5-1:80的铥离子，用于接收和转移泵浦源的泵浦能量，输出可调控波长范围为1.95-2.13 μ m的激光。这种铥钦双掺激光增益介质可以用于光纤激光器或波导激光器中。
[0094]实施例6:
[0095]本发明实施例6提供一种波长可调控的铥钦双掺激光输出波长调节方法，其特征在于，所述方法为:采用增益损耗比自适应控制能量转移波长调控技术控制激光器输出波长；具体包括:
[0096]利用增益损耗比自适应控制能量转移波长调控技术，即利用控制铥钦两种稀土离子掺杂浓度比，调控铥钦双掺增益介质中离子间各种能量转移过程的能量传递速率以及离子斯塔克精细能级结构，控制产生粒子数聚集的能级，结合辅助激光器结构设计即可调控激光器输出波长，该技术还可调控激光器增益介质的热分布，提高光束质量以及激光器输出效率；
[0097]其调控机制为:铥钦双掺增益介质中，掺杂离子吸收780_789nm附近泵浦能量，处于激发态能级的电子通过辐射跃迁过程，或者碰撞、共振等无辐射跃迁过程实现掺杂离子间能量转移；铥钦掺杂浓度比不同，激光增益介质中能态密度、离子间距、能级寿命等因素不同，所述离子间各种能量转移过程的增益损耗比不同，能量传递速率不同，产生粒子数聚集的能级不同，从而输出波长不同，可实现波长调控；同时，掺杂离子浓度不同，离子间作用强度不同，斯塔克能级分裂数目，能隙以及位移不同，精细结构不同，可实现波长精细调节；结合辅助激光器结构设计调节辐射激光增益系数以及损耗系数即可调控激光器输出波长。这种铥钦双掺激光器输出波长调节方法可以用于光纤激光器或波导激光器。
[0098]实施例7:
[0099]本实施例7提供一种光纤激光放大器，与实施例4类似。
[0100]不同之处在于，
[0101]增益介质为光纤材料，光纤芯径400 μ m,数值孔径0.22,长5m。
[0102]泵浦光为直径为400 μ m的准直光束。
[0103]可见，在本发明实施例提供的铥钦双掺激光器、激光增益介质和波长调控方法中，能够利用本发明实施例首次提出的增益损耗比自适应控制能量转移波长调控技术，即利用控制铥钦两种稀土离子的特殊掺杂浓度比，来调控铥钦双掺增益介质中离子间各种能量转移过程的能量传递速率以及离子斯塔克精细能级结构，从而控制产生粒子数聚集的能级，以调控激光器输出波长，同时该技术可以调控激光器增益介质的热分布，从而提高光束质量以及激光器输出效率。本发明实施例的波长调谐机制独特，能够实现新波长输出，并扩展波长调节范围，结构简单，稳定性好，能够很好地满足应用需求。
[0104]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【权利要求】
1.一种波长可调控的铥钦双掺激光器，其特征在于，包括:铥钦双掺激光增益介质和泵浦源； 所述铥钦双掺激光增益介质包括:掺杂浓度为0.01at.%-lat.%的钦离子，和满足钦铥离子掺杂浓度比1:5-1:80的铥离子； 所述泵浦源用于为所述铥钦双掺激光增益介质提供泵浦能量；所述激光器用于根据所述铥钦双掺激光增益介质的铥钦离子掺杂浓度比，采用增益损耗比自适应控制能量转移波长调控技术调控输出波长。
2.根据权利要求1所述的波长可调控的铥钦双掺激光器，其特征在于，所述铥钦双掺激光增益介质为: 铥钦离子均匀掺杂的激光增益介质；或，铥钦双掺复合材料激光增益介质； 所述铥钦双掺复合材料激光增益介质结构包括:铥钦离子均匀掺杂材料通光端面的一面或两面组合未掺杂的基质材料；或，铥钦离子均匀掺杂材料通光端面的一面或两面组合非线性晶体材料； 所述基质材料为:钇铝石榴石、氟化锂钇、钒酸钆、铝酸钇、钒酸钇中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的波长可调控的铥钦双掺激光器，其特征在于，所述铥钦双掺激光增益介质为:掺杂功能性离子的铥钦双掺激光增益介质。
4.根据权利要求3所述的波长可调控的铥钦双掺激光器，其特征在于，所述功能性离子为:铬。
5.根据权利要求1所述的波长可调控的铥钦双掺激光器，其特征在于: 所述铥钦双掺激光增益介质为:棒状、板条状、或块状；` 和/或，所述铥钦双掺激光器的工作方式为:连续运转、准连续运转或脉冲运转； 和/或，所述铥钦双掺激光器的泵浦方式为:侧面泵浦，端面泵浦，或大面泵浦。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的波长可调控的铥钦双掺激光器，其特征在于，所述激光器还包括: 激光谐振腔，用于实现激光振荡，所述铥钦双掺激光增益介质置于所述激光谐振腔内； 和/或，放大光学结构，用于实现激光放大或者再生放大，所述铥钦双掺激光增益介质置于放大光学结构内； 和/或，热管理系统，用于为所述激光器提供有效热管理和固定支撑。
7.一种铥钦双掺激光增益介质，其特征在于，包括:掺杂浓度为0.01at.%-lat.%的钦离子，和满足钦铥离子掺杂浓度比1:5-1:80的铥离子，用于接收和转移泵浦源的泵浦能量，输出可调控波长范围为1.95-2.13 μ m的激光。
8.根据权利要求7所述的铥钦双掺激光增益介质，其特征在于: 所述铥钦双掺激光增益介质用于固体激光器，光纤激光器，波导激光器。
9.一种波长可调控的铥钦双掺激光器输出波长调节方法，其特征在于，所述方法为:采用增益损耗比自适应控制能量转移波长调控技术控制激光器输出波长；具体包括: 增益损耗比自适应控制能量转移波长调控技术，即利用控制铥钦两种稀土离子掺杂浓度比，调控铥钦双掺增益介质中离子间各种能量转移过程的能量传递速率以及离子斯塔克精细能级结构，控制产生粒子数聚集的能级，结合辅助激光器结构设计即可调控激光器输出波长，该技术还可调控激光器增益介质的热分布，提高光束质量以及激光器输出效率；其调控机制为:铥钦双掺增益介质中，掺杂离子吸收780-789nm附近泵浦能量，处于激发态能级的电子通过辐射跃迁过程，或者碰撞、共振等无辐射跃迁过程实现掺杂离子间能量转移；铥钦掺杂浓度比不同，激光增益介质中能态密度、离子间距、能级寿命等因素不同，所述离子间各种能量转移过程的增益损耗比不同，能量传递速率不同，产生粒子数聚集的能级不同，从而输出波长不同，可实现波长调控；同时，掺杂离子浓度不同，离子间作用强度不同，斯塔克能级分裂数目，能隙以及位移不同，精细结构不同，可实现波长精细调节；结合辅助激光器结构设计调节辐射激光增益系数以及损耗系数即可调控激光器输出波长。
10.根据权利要求9所述的铥钦双掺激光器输出波长调节方法，其特征在于: 所述铥钦双掺激光器输 出波长调节方法用于固体激光器，光纤激光器，波导激光器。
【文档编号】H01S3/16GK103779775SQ201310741592
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年12月27日 优先权日:2013年12月27日
【发明者】彭钦军, 薄勇, 杜仕峰, 王志超, 宗楠, 申玉, 许祖彦 申请人:中国科学院理化技术研究所