专利名称：光纤激光器泵浦的高功率3μm-5μm波段固体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤激光器泵浦的高功率3 μ m-5 μ m波段固体激光器,属于固体激光器技术领域。
背景技术：
3 μ m-5 μ m波段的中红外激光因为对大雾、烟尘等具有较强的穿透力，受气体分子吸收和悬浮物散射的影响小，因此在光谱测量、遥感、环保和军事上具有很高的应用价值。目前获得3-5 μ m激光输出最常用、最有效的手段是通过光学參量振荡器OPO以 光学參量振荡方式对2μπι波段的激光进行频率下转换。一台OPO可以在很宽的光谱范围内获得激光输出，而且从时间域上OPO可以连续输出或者脉冲输出。在众多的OPO晶体中，ZnGeP2晶体的非线性系数大，为75pm/V,并且热导率高，为O. 18ff/m · K，因此，ZnGeP2-0P0是实现3-5 μ m非线性光学频率转换的有效方法。受2 μ m泵浦激光器性能的限制，现有全固态3-5 μ mZnGeP2-0P0存在效率低、体积大、不便于携带及维护的缺点。I. 9 μ m波段激光泵浦的单掺杂钦Ho固体激光器是获得2 μ m波段激光的有效途径，Ho固体激光器具有上能级寿命长、发射截面大等一系列优点，利用声光调Q技术可以实现其高平均功率、高峰值功率、窄脉宽输出，是泵浦3-5 μ m光学參量振荡器的理想光源。
I.9 μ m波段激光可以通过单掺铥Tm固体激光器和单掺铥Tm光纤激光器来获得。单掺铥Tm固体激光器由于受到严重的热管理问题困扰，导致其结构比较复杂，并且输出功率不是很高。单掺铥Tm光纤激光器因为采用了具有良好散热特性的光纤结构，所以装置比较简単，并且输出功率较高。
发明内容
本发明是为了解决现有通过光学參量振荡器OPO获得3-5 μ m激光输出的激光器存在的体积大、不易携帯的问题，提供一种光纤激光器泵浦的高功率3 μ m-5 μ m波段固体激光器。本发明光纤激光器泵浦的高功率3 μ m-5 μ m波段固体激光器,它包括两个I. 9 μ m单掺钱Tm光纤激光器,它还包括单掺Ho激光器和3 μ m-5 μ m ZnGeP2光学參量振荡器，单掺Ho激光器的特征输出波长为2. I μ m，单掺Ho激光器由第一稱合系统、第二稱合系统、平面输入镜、折叠镜、单掺Ho晶体、石英声光调Q晶体和平凹输出镜组成，3 μ m-5 μ m ZnGeP2光学參量振荡器由第三f禹合系统、第一平面镜、第二平面镜、ZnGeP2晶体和二色片组成，ー个I. 9 μ m单掺铥Tm光纤激光器发射的激光束通过第一耦合系统耦合后，经由平面输入镜透射后入射至单掺Ho晶体；另ー个I. 9 μ m单掺铥Tm光纤激光器发射的激光束通过第二耦合系统耦合后，经由折叠镜透射后入射至单掺Ho晶体，单掺Ho晶体对其两侧入射的光纤激光束进行吸收后，产生2. I μ m波长的激光，该2. I μ m波长的激光通过折叠镜反射至石英声光调Q晶体，石英声光调Q晶体对输入的激光进行调制后，入射至平凹输出镜，通过平凹输出镜输出Ho激光；该Ho激光经第三耦合系统耦合后变换成近平行光进入第一平面镜，由第一平面镜透射的激光由ZnGeP2晶体吸收并进行频率下转换后，依次经由第二平面镜和二色片透射后输出，获得3 μ m-5 μ m波段激光。所述第一耦合系统和第二耦合系统的结构相同、且呈镜像对称设置，第一耦合系统由准直镜和聚集透镜组成，ー个I. 9 μ m单掺铥Tm光纤激光器发射的光纤激光束经过准直镜变换成平行光束，该平行光束由聚集透镜耦合后，经由平面输入镜透射后入射至单掺Ho晶体。 第三耦合系统由正透镜和负透镜组成，平凹输出镜输出的Ho激光经由正透镜和负透镜耦合后变换成近平行光进入第一平面镜。折叠镜与第二耦合系统的光轴呈45°设置。第一平面镜镀2 μ m高透膜和3 μ m-5 μ m高反膜。第二平面镜镀2 μ m高透膜和3 μ m-5 μ m的部分透射膜，透过率为30-50%。ZnGeP2晶体端面镀2μπι和3-5μπι的高增透膜，切割角度55°，采用第一类相位匹配方式。二色片镀2 μ m高反膜和3 μ m_5 μ m高增透膜。1.9μ m单掺铥Tm光纤激光器由792nm的激光二极管、传导光纤、双包层光敏光纤、光纤光栅和单掺钱Tm石英光纤组成，光纤光栅设置在双包层光敏光纤的传输路径上，792nm的激光二极管发射的792nm的激光经传导光纤、双包层光敏光纤以及光纤光栅传输，再被单掺钱Tm石英光纤吸收后,产生I. 9 μ m激光,作为I. 9 μ m单掺钱Tm光纤激光器发射的激光束；传导光纤与双包层光敏光纤焊接连接，双包层光敏光纤与单掺铥Tm石英光纤焊接连接。本发明的优点是本发明利用了单掺铥Tm光纤激光器结构简单，激光输出稳定性高并且输出功率较高，同时易与单掺Ho激光器和ZnGeP2光学參量振荡器相集成的优势，利用半导体激光器泵浦的单掺杂铥(Tm3+)光纤激光器获得1.9 μ m激光，再用I. 9 μ m激光泵浦单掺杂钦(Ho3+)晶体，对钦(Ho3+)激光器采用声光调Q方式产生2. I μ m激光脉冲，再以此脉冲2. I μ m激光泵浦光学參量振荡晶体来获得3 μ m-5 μ m中红外激光。实现了高功率、高效率的3-5 μ m激光输出，装置结构简单、实用。本发明所述的激光器使其激光头部分能够实现小型化设计，结构紧凑，便于运载和操作。
图I为本发明的原理示意图；图2为I. 9 μ m单掺铥Tm光纤激光器的原理示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图I说明本实施方式，本实施方式所述光纤激光器泵浦的高功率3 μ m-5 μ m波段固体激光器，它包括两个I. 9 μ m单掺铥Tm光纤激光器1，它还包括单掺Ho激光器2和3 μ m-5 μ m ZnGeP2光学參量振荡器3，单掺Ho激光器2的特征输出波长为2. I μ m，单掺Ho激光器2由第一I禹合系统2-1、第二f禹合系统2-2、平面输入镜2-3、折叠镜2-4、单掺Ho晶体2-5、石英声光调Q晶体2-6和平凹输出镜2_7组成，3 μ m-5 μ m ZnGeP2光学參量振荡器3由第三I禹合系统3-1、第一平面镜3-2、第二平面镜3-3、ZnGeP2晶体3-4和二色片3-5组成，ー个I. 9 μ m单掺铥Tm光纤激光器I发射的激光束通过第一耦合系统2_1耦合后， 经由平面输入镜2-3透射后入射至单掺Ho晶体2-5 ;另ー个I. 9 μ m单掺铥Tm光纤激光器I发射的激光束通过第二耦合系统2-2耦合后，经由折叠镜2-4透射后入射至单掺Ho晶体2-5，单掺Ho晶体2-5对其两侧入射的光纤激光束进行吸收后，产生2. I μ m波长的激光，该
2.I μ m波长的激光通过折叠镜2-4反射至石英声光调Q晶体2_6，石英声光调Q晶体2_6对输入的激光进行调制后，入射至平凹输出镜2-7，通过平凹输出镜2-7输出Ho激光；该Ho激光经第三耦合系统3-1耦合后变换成近平行光进入第一平面镜3-2，由第一平面镜3-2透射的激光由ZnGeP2晶体3_4吸收并进行频率下转换后，依次经由第二平面镜3-3和二色片3-5透射后输出，获得3 μ m-5 μ m波段激光。本实施方式包括采用光纤耦合的792nm激光二极管泵浦的Tm光纤激光器；Tm光纤激光器泵浦的单掺Ho激光器；单掺Ho激光器泵浦的3-5 μ m ZnGeP2光学參量振荡器。3 μ m-5 μ m ZnGeP2光学參量振荡器3的光学參量振荡谐振腔由OPO输入镜，即第一平面镜3-2，和OPO输出镜，即第二平面镜3-3构成。单掺Ho激光器2为双末端泵浦结构，即采用两个I. 9 μ m单掺铥Tm光纤激光器I对单掺Ho晶体2-5进行双末端泵浦。平面输入镜2-3、折叠镜2-4及平凹输出镜2_7构成单掺Ho激光器2的谐振腔。石英声光调Q晶体2-6采用布儒斯特角的石英声光调Q晶体，以获得高峰值功率的线偏振2. I μ m脉冲光输出。Ho激光经由第三耦合系统3-1后泵浦ZnGeP2晶体3_4，3 μ m-5 μ m ZnGeP2光学參量振荡器3的谐振腔由第一平面镜3-2和第二平面镜3-3构成。单掺Ho晶体2-5选用Ho: YAP晶体，其通光轴为c轴，长度50mm ；Ho3+掺杂浓度为
O.3at. %。I. 9 μ m单掺铥T m光纤激光器I的发射波长为1940nm，单掺Ho激光器2的平凹输出镜2-7曲率半径为-200mm，对2. I μ m光的透过率为30%。采用上述參数，当向3 μ m-5 μ m ZnGeP2光学參量振荡器3注入2. I μ m Ho: YAP泵浦激光7. 8W吋，能够获得4W稳定的3-5 μ m中红外激光输出，2. I μ m到3_5 μ m的光转换效率达到51. 3%。
具体实施方式
ニ 下面结合图I说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进ー步说明，所述第一耦合系统2-1和第二耦合系统2-2的结构相同、且呈镜像对称设置，第一耦合系统2-1由准直镜2-11和聚集透镜2-12组成，ー个I. 9 μ m单掺铥Tm光纤激光器I发射的光纤激光束经过准直镜2_11变换成平行光束，该平行光束由聚集透镜2-12耦合后，经由平面输入镜2-3透射后入射至单掺Ho晶体2_5。
具体实施方式
三下面结合图I说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一或ニ的进ー步说明，第三耦合系统3-1由正透镜3-11和负透镜3-12组成，平凹输出镜2-7输出的Ho激光经由正透镜3-11和负透镜3_12耦合后变换成近平行光进入第一平面镜3-2。
具体实施方式
四下面结合图I说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、ニ或三的进ー步说明，折叠镜2-4与第二耦合系统2-2的光轴呈45°设置。
具体实施方式
五本实施方式为对实施方式一、ニ、三或四的进ー步说明，第一平面镜3-2镀2 μ m高透膜和3 μ m_5 μ m高反膜。
具体实施方式
六本实施方式为对实施方式一、ニ、三、四或五的进ー步说明，第二平面镜3-3镀2 μ m高透膜和3 μ m-5 μ m的部分透射膜，透过率为30-50%。
具体实施方式
七本实施方式为对实施方式一、ニ、三、四、五或六的进ー步说明，ZnGeP2晶体3_4端面镀2 μ m和3_5 μ m的高增透膜，切割角度55°，采用第一类相位匹配方式。
具体实施方式
八本实施方式为对实施方式一、ニ、三、四、五、六或七的进ー步说明，二色片3-5镀2 μ m高反膜和3 μ m-5 μ m高增透膜。二色片3-5表面的镀膜是为了用来反射掉3 μ m-5 μ m激光中残留的2 μ m泵浦光。
具体实施方式
九下面结合图I和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、ニ、三、四、五、六、七或八的进一步说明，I. 9 μ m单掺钱Tm光纤激光器I由792nm的激光二极管1-1、传导光纤1-2、双包层光敏光纤1-3、光纤光栅1-4和单掺铥Tm石英光纤1_5组成，光纤光栅1-4设置在双包层光敏光纤1-3的传输路径上，792nm的激光二极管1-1发射的792nm的激光经传导光纤1-2、双包层光敏光纤
1-3以及光纤光栅1-4传输,再被单掺钱Tm石英光纤1-5吸收后,产生I. 9 μ m激光,作为I. 9 μ m单掺铥Tm光纤激光器I发射的激光束；传导光纤1-2与双包层光敏光纤1-3焊接连接，双包层光敏光纤1-3与单掺铥Tm石英光纤1-5焊接连接。本实施方式中，I. 9 μ m单掺铥Tm光纤激光器I的基质包括氟基、硅基和ZBLAN玻璃，使用光纤光栅1-4对单掺钱Tm石英光纤1-5发射的I. 9 μ m激光的发射波长进行控制，以与单掺Ho激光晶体的吸收波长相匹配。单掺杂Ho激光晶体的掺杂基质包括氟化钇锂YLF、氟化镥锂LuLF、铝酸钇YAP、镏铝石榴石LuAG、钒酸钇YV04和钇铝石榴石YAG。I. 9 μ m单掺铥Tm光纤激光器I采用792nm的激光二极管1_1泵浦。双包层光敏光纤1-3的纤芯直径为25 μ m、包层直径为250 μ m,传导光纤1_2与双包层光敏光纤1_3通过光纤熔接技术熔接。光纤光栅1-4为利用飞秒fs激光刻写技术在双包层光敏光纤1-3刻写的飞秒布拉格反射光栅FBG,光纤光栅1-4的衍射中心波长与单掺Ho晶体2-5吸收峰相对应。双包层光敏光纤1-3与单掺铥Tm石英光纤1-5通过光纤熔接技术熔接在一起，单掺铥Tm石英光纤1-5的纤芯直径为25 μ m,包层直径为250 μ m,并且采用风扇对其进行强制冷却。本实施方式中，激光二极管发射的792nm的激光经传导光纤1_2以及双包层光敏光纤1-3的传输后被单掺钱Tm石英光纤1-5吸收,792nm激光的功率达到光纤激光器的阈值之后，在光纤光栅1-4的 作用下,光纤激光器输出与Ho晶体吸收峰相匹配波长的I. 9μηι激光。
权利要求
1.一种光纤激光器泵浦的高功率3 μ m-5 μ m波段固体激光器，它包括两个I. 9 μ m单掺铥Tm光纤激光器(I)，其特征在于它还包括单掺Ho激光器(2)和3 μ m-5 μ m ZnGeP2光学參量振荡器(3)， 单掺Ho激光器⑵的特征输出波长为2. I μ m， 单掺Ho激光器(2)由第一I禹合系统(2-1)、第二I禹合系统(2-2)、平面输入镜(2-3)、折叠镜(2-4)、单掺Ho晶体(2-5)、石英声光调Q晶体(2-6)和平凹输出镜(2_7)组成， 3μ m-5 μ m ZnGeP2光学參量振荡器(3)由第三稱合系统(3_1)、第一平面镜(3_2)、第ニ平面镜(3-3)、ZnGeP2晶体(3-4)和二色片(3-5)组成， ー个I. 9μπι单掺铥Tm光纤激光器(I)发射的激光束通过第一耦合系统(2-1)耦合后，经由平面输入镜(2-3)透射后入射至单掺Ho晶体(2-5);另ー个1.9μπι单掺铥Tm光纤激光器(I)发射的激光束通过第二耦合系统(2-2)耦合后，经由折叠镜(2-4)透射后入射至单掺Ho晶体(2-5)，单掺Ho晶体(2-5)对其两侧入射的光纤激光束进行吸收后，产生2. I μ m波长的激光，该2. I μ m波长的激光通过折叠镜(2_4)反射至石英声光调Q晶体(2-6)，石英声光调Q晶体(2-6)对输入的激光进行调制后，入射至平凹输出镜(2-7)，通过平凹输出镜(2-7)输出Ho激光； 该Ho激光经第三耦合系统(3-1)耦合后变换成近平行光进入第一平面镜(3-2)，由第一平面镜(3-2)透射的激光由ZnGeP2晶体(3_4)吸收并进行频率下转换后，依次经由第二平面镜(3-3)和二色片(3-5)透射后输出，获得3 μ m-5 μ m波段激光。
2.根据权利要求I所述的光纤激光器泵浦的高功率3μ m-5 μ m波段固体激光器，其特征在于所述第一耦合系统(2-1)和第二耦合系统(2-2)的结构相同、且呈镜像对称设置，第一耦合系统(2-1)由准直镜(2-11)和聚集透镜(2-12)组成， ー个I. 9 μ m单掺铥Tm光纤激光器(I)发射的光纤激光束经过准直镜(2_11)变换成平行光束，该平行光束由聚集透镜(2-12)耦合后，经由平面输入镜(2-3)透射后入射至单掺Ho晶体(2-5)。
3.根据权利要求I或2所述的光纤激光器泵浦的高功率3μ m-5 μ m波段固体激光器，其特征在于第三耦合系统(3-1)由正透镜(3-11)和负透镜(3-12)组成， 平凹输出镜(2-7)输出的Ho激光经由正透镜(3-11)和负透镜(3-12)耦合后变换成近平行光进入第一平面镜(3-2)。
4.根据权利要求I或2所述的光纤激光器泵浦的高功率3μ m-5 μ m波段固体激光器，其特征在干折叠镜(2-4)与第二耦合系统(2-2)的光轴呈45°设置。
5.根据权利要求I或2所述的光纤激光器泵浦的高功率3μ m-5 μ m波段固体激光器，其特征在于第一平面镜(3-2)镀2 μ m高透膜和3 μ m-5 μ m高反膜。
6.根据权利要求I或2所述的光纤激光器泵浦的高功率3μ m-5 μ m波段固体激光器，其特征在于第二平面镜(3-3)镀2 μ m高透膜和3 μ m-5 μ m的部分透射膜，透过率为30-50%。
7.根据权利要求I或2所述的光纤激光器泵浦的高功率3μ m-5 μ m波段固体激光器，其特征在于ZnGeP2晶体(3_4)端面镀2 μ m和3_5 μ m的高增透膜，切割角度55°，采用第一类相位匹配方式。
8.根据权利要求I或2所述的光纤激光器泵浦的高功率3μ m-5 μ m波段固体激光器，其特征在于二色片(3-5)镀2 μ m高反膜和3 μ m-5 μ m高增透膜。
9.根据权利要求I或2所述的光纤激光器泵浦的高功率3 μ m-5 μ m波段固体激光器，其特征在于1. 9μπι单掺铥Tm光纤激光器(I)由792nm的激光二极管(1_1)、传导光纤(1-2)、双包层光敏光纤(1-3)、光纤光栅(1-4)和单掺钱Tm石英光纤(1_5)组成， 光纤光栅(1-4)设置在双包层光敏光纤(1-3)的传输路径上， 792nm的激光二极管(1_1)发射的792nm的激光经传导光纤(1_2)、双包层光敏光纤(1-3)以及光纤光栅(1-4)传输,再被单掺钱Tm石英光纤(1-5)吸收后,产生I. 9 μ m激光，作为I. 9 μ m单掺铥Tm光纤激光器⑴发射的激光束； 传导光纤(1-2)与双包层光敏光纤(1-3)焊接连接，双包层光敏光纤(1-3)与单掺铥Tm石英光纤(1-5)焊接连接。
全文摘要
光纤激光器泵浦的高功率3μm-5μm波段固体激光器，属于固体激光器技术领域。它解决了现有通过光学参量振荡器OPO获得3-5μm激光输出的激光器存在的体积大、不易携带的问题。它的两个1.9μm单掺铥Tm光纤激光器发射的激光束分别经耦合系统耦合，再经由平面输入镜和折叠镜透射后入射至单掺Ho晶体；单掺Ho晶体产生的2.1μm波长的激光通过折叠镜反射至石英声光调Q晶体及平凹输出镜，输出Ho激光；该Ho激光经第三耦合系统、第一平面镜、及ZnGeP2晶体吸收，经由第二平面镜和二色片透射后输出，获得3μm-5μm波段激光。本发明适用于获得高功率3μm-5μm波段激光。
文档编号H01S3/067GK102842849SQ20121034968
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月19日 优先权日2012年9月19日
发明者姚宝权, 段小明, 鞠有伦, 贺万骏, 余正平, 张云军, 李纲, 周仁来, 王月珠 申请人:哈尔滨工业大学