一种中红外激光的效率提高方法及中红外激光装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光装置技术领域，特别涉及一种中红外激光的效率提高方法及中红外激光装置。
【背景技术】
[0002]自1960年世界上第一台激光装置诞生以来，各类激光装置及激光技术的发展极为迅速。激光技术在各个领域，特别是科学研究以及国防建设等领域得到了广泛的应用，已经成为现代科学技术及社会发展的重要支柱之一。其中，中红外2.7-3 μπι激光波段处于水的强吸收带，其比10.6μπι更易被水、Ca、P等吸收，可用于多水分的身体软组织及骨的切开、切除手术，因此在生物医疗中有着重要的应用，目前已应用在眼科、牙科及激光美容手术中。另外在Ilkm以上高空及太空，由于水汽含量大量减少，大气吸收也大为减少，并且
2.7-3 μπι波段之间还有亚精细波长对水的吸收较弱，因此这个波段的激光可直接用于太空军事及科学研究。
[0003]目前能够直接实现2.7-3 μπι激光输出的稀土激活离子主要有Er' Ho'图1为这两种激活离子实现2.8 μπι附近激光跃迀的能级示意图，其中对于Er3+离子的1.5 μπι附近(％3/2至％5/2跃迀)和Ho 3+离子的2.0 μπι附近(5I7至5I8跃迀)近红外激光，由于是激发态至基态能级的跃迀，相对容易实现，目前已发展的比较成熟。但是对于Ho' Er3+的
2.8 μπι附近激光均是分别由两个激发态能级4111/2至4113/2和5I6S %之间跃迀产生的，并且激光下能级寿命较长，不利于粒子数反转，因此原则上是自终止的，其2.8 μ m激光之所以能够正常工作，主要是由于上转换和激发态吸收为抽空激光下能级提供了一个通道，图1中UC和ESA分别表示上转换和激发态吸收过程，其中Er3+可以直接吸收970nm栗浦光，由于Ho3+在970nm附近无吸收，所以使用Yb 3+作为敏化离子，吸收栗浦光能量传递给Ho 3+离子。
[0004]即便如此，虽然实现了 Ho3+和Er 3+2.7-3 μ m波段的激光输出，但是两种激活离子的中红外激光效率和输出功率还是受到了影响。目前国内外主要研究的方法是通过掺入适量Pr' Eu3+及Ho 3+等退激活离子，通过离子共振能量转移，抽空激光下能级粒子，降低能级寿命，从而期望进一步降低激光阈值，提高激光效率和功率。该方法虽然在一定程度上实现了提高激光输出功率及效率，但仍不足。
【发明内容】
[0005]基于上述问题，本发明提供一种中红外激光的效率提高方法及中红外激光装置，通过设计谐振腔结构，可以同时输出中红外激光和中红外激光下能级到基态跃迀所对应的第二激光，从而使得中红外激光下能级粒子快速回落到基态，从而降低激光下能级寿命，提高激光效率，并实现双波长激光输出。
[0006]针对上述目的，本发明提供一种中红外激光的效率提高方法，其特征在于，激光晶体的能级由低到高至少包括基态、第一激发态和第二激发态，所述第二激发态至所述第一激发态的粒子跃迀产生第一波长激光，所述第一激发态至所述基态的粒子跃迀产生第二波长激光，所述第一波长激光和所述第二波长激光通过谐振腔同时输出，由于产生第二波长激光，使得第一激发态的粒子快速回落到基态，降低了粒子在所示第一激发态的寿命，使得所述第一波长激光的产生效率提高。
[0007]其中，所述第一波长激光为2.7-3 μπι的中红外激光，所述激光晶体为掺杂Er3+的晶体或掺杂Ho3+或/和其他敏化离子的晶体。
[0008]根据本发明的另一个方面，提供一种中红外激光装置，包括栗浦源、激光晶体和谐振腔，所述激光晶体位于所述谐振腔内，所述栗浦源发出栗浦光并入射到所述激光晶体上，其特征在于，所述激光晶体的能级由低至高至少包括基态、第一激发态和第二激发态，所述激光晶体受激后发生粒子数反转并产生第一波长激光和第二波长激光，所述第一波长激光为从所述第二激发态到所述第一激发态粒子跃迀产生的中红外激光，所述第二波长激光为从所述第一激发态到基态的粒子跃迀产生的激光。
[0009]其中，所述谐振腔包括第一腔镜和第二腔镜，所述第一腔镜的面向所述谐振腔内部的表面上镀有反射所述第一波长激光和第二波长激光的高反膜，所述第二腔镜上镀有将所述第一波长激光和第二波长激光耦合输出的膜系。
[0010]其中，所述激光装置还包括分光镜，所述分光镜位于所述谐振腔的输出光路上，用于对所述谐振腔输出的第一波长激光和第二波长激光进行分光。
[0011]其中，所述谐振腔包括第一腔镜组和第二腔镜组，所述第一腔镜组包括相对设置的第三腔镜和第四腔镜，用于产生第一波长激光，所述第二腔镜组包括相对设置的第五腔镜和第六腔镜，用于产生第二波长激光；
[0012]所述激光晶体为四面抛光的晶体，所述激光晶体的每个抛光面相对所述谐振腔的一个腔镜；并且所述激光晶体的相对所述第一腔镜组的两个抛光面上镀有对所述第一波长激光透过的高透膜，相对所述第二腔镜组的两个抛光面上镀有对所述第二波长激光透过的高透膜。
[0013]其中，所述第三腔镜和第四腔镜在垂直于所述栗浦光方向相对设置，所述第五腔镜和第六腔镜在平行于所述栗浦光方向相对设置。
[0014]其中，所述激光装置还包括设置在所述谐振腔内部的色散元件，用于将所述激光晶体产生的第一波长激光和第二波长激光分离，所述谐振腔包括反射镜和两个输出镜，所述反射镜的面向所述谐振腔内部的面镀有对应于所述第一波长激光和第二波长激光的双波长高反膜系，两个所述输出镜上分别镀有对应于所述第一波长激光和所述第二波长激光的单波长耦合输出的膜系。
[0015]其中，所述色散元件为光栅或棱镜。
[0016]其中，所述激光晶体为掺Er3+的晶体或掺杂Ho 3+或/和敏化离子的晶体。
[0017]本发明提供的中红外激光的效率提高方法及中红外激光装置，通过设计谐振腔结构，可以同时输出中红外激光和中红外激光下能级到基态跃迀所对应的第二激光，从而使得中红外激光下能级粒子快速回落到基态，从而降低激光下能级寿命，提高激光效率，并实现双波长激光输出。
【附图说明】
[0018]图1示出了 Er3+离子与Ho 3+离子在受激后产生中红外激光的能级跃迀示意图。
[0019]图2示出了本发明的中红外激光装置的激光晶体的能级示意图。
[0020]图3示出了本发明的第一实施例的中红外激光装置的结构示意图。
[0021]图4示出了本发明的第二实施例的中红外激光装置的结构示意图。
[0022]图5示出了本发明的第三实施例的中红外激光装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0024]本发明的一个实施例提供了一种中红外激光的效率提高方法，通过设计合理的谐振腔结构，使得原激光波长与激光下能级到基态间跃迀所对应的激光波长(双波长)同时输出，由于激光下能级到基态间跃迀所产生的激光可以使激光下能级粒子快速回落到基态，从而降低激光下能级寿命，使得原激光的效率得到显著提高，同时获得双波长输出。
[0025]具体地，本发明的方法包括:如图2所示，激光晶体的能级由低到高至少包括基态1、第一激发态2和第二激发态3，在栗浦光4的激发下，第二激发态3至第一激发态2的粒子跃迀产生第一波长激光5，第一激发态2至所述基态I的粒子跃迀产生第二波长激光6，第一波长激光5和所述第二波长激光6通过谐振腔同时输出，本发明通过将第一激发态2 (即第一波长激光产生过程中的下能级)跃迀到基态I产生的光子通过谐振腔形成第二激光，使得下能级的粒子快速回落到基态，降低了下能级的粒子的寿命，从而提高了粒子从第二激发态跃迀到第一激发态的效率，使得产生中红外激光的效率提高。
[0026]在本发明中，第一波长激光为2.7-3 μπι的中红外激光，激光晶体为掺杂Er3+的晶体或掺杂Ho3+或/和其他敏化离子的晶体，即本发明的激光晶体可以是掺杂Er3+的晶体、掺杂Ho3+晶体、掺杂Ho3+和其他敏化离子的晶体或是其他敏化离子的晶体，本发明的敏化离子是适于产生中红外激光的所有的敏化离子，在此不做限定。
[0027]在本发明的另一个方面，提供了一种中红外激光装置，该装置包括栗浦源、激光晶体和谐振腔，所述激光晶体位于所述谐振腔内，所述栗浦源发出栗浦光并入射到所述激光晶体上，所述激光晶体的能级由低至高至少包括基态、第一激发态和第二激发态，所述激光晶体受激后发生粒子数反转并产生第一波长激光和第二波长激光，所述第一波长激光为从所述第二激发态到所述第一激发态跃迀产生的中红外激光，所述第二波长激光为从所述第一激发态到基态跃迀产生的激光。
[0028]在上述过程中，通过设置特定的谐振腔，使得中红外激光装置可以输出双波长激光，从而使得激光晶体在第一激发态(即下能级)的粒子的寿命降低，使得中红外激光的输出效率提高，同时还实现了双波长激光输出。
[0029]以下通过具体实施例详细描述本发明的中红外激光装置，以下实施例的中红外激光装置，均包括栗浦源、激光晶体和谐振腔，通过设置不同的谐振腔以及激光晶体，实现双波长激光的输出。
[0030]实施例一
[0031]图3示出了本发明的第一实施例的中红外激光装置的结构示意图。
[0032]参照图3，本发明的第一实施例中，谐振腔30包括第一腔镜301和第二腔镜302，并且第一腔镜301和第二腔镜302的面向谐振腔内部的表面上分别具有双层膜系，即第一腔镜301的面向谐振腔30内部的表面上镀有反射第一波长激光和第二波长激光的高反膜，第二腔镜302的面向谐振腔30内部的表面上镀有将第一波长激光和第二波长激光耦合输出的I吴系。
[0033]通过上述设置，栗浦源10发射的栗浦光通过耦合镜40后入射到激光晶体20上，激光晶体20吸收栗浦光后实现粒子数反转，产生的荧光在谐振腔30内实现振荡放大，由于第一腔镜301和第二腔镜302的内部具有双层膜系，因此可以同时对激光晶体产生的两个波长的激光同时实现振荡放大，从而输出双波长激光。
[0034]另外，在谐振腔30的输出光路上还设置有分光镜50，用于对谐振腔30输出的第一激光和第二激光进行分光。
[0035]本实施例中，由于谐振腔的第一腔镜和第二腔镜上具有不同的双层膜系，从而使得激光晶体20产生的两束不同波长的激光同时振荡放大，其中，第一激光是从第二激发态到第一激发态跃迀产生的中红外激光，而第二激光为从第一激发态到基态跃迀产