掺Tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置的制作方法

本技术属于高功率中红外激光，具体地说涉及掺tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置。

背景技术：

1、波长3～5μm的中红外激光在医疗、牙科手术、分子光谱学、有机物分析、特殊材料加工、国防安全等方面具有广泛的应用前景。中红外固体激光器主要分为基于能级跃迁的中红外直接激射激光器(包括光纤激光器)及其放大器、基于非线性频率变换的中红外光参量振荡器和放大器两类。目前分别实现了数十瓦和百瓦级的输出，功率的进一步提升主要受到系统效率低、材料吸收损耗大的限制。由于作为初级泵浦源的二极管(ld)激光波长与中红外激光波长之间存在巨大差距，导致了严重的量子亏损，引起严重的热问题，最终导致中红外固体激光器性能下降、功率难以提升。尽管通过“同带泵浦”、“交叉弛豫”、“能量上转换”和“级联转换”等技术措施，可以部分改善中红外固体激光器系统由于波长差异导致的效率问题，但高功率输出仍面临激光增益材料和非线性晶体及其镀膜的损伤问题。为此，需要优选新的技术路线，通过提升系统效率、提高基频光输出功率、减小热效应，减小非线性晶体吸收系数和提升其内部品质、增大晶体尺寸等综合性措施，实现中红外固体激光器输出功率的跨量级增长。

技术实现思路

1、针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出掺tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其采用高功率的tm:ylf激光直接泵浦zgp光参量振荡器以及zgp光参量放大器，提升了中红外激光的功率以及系统的整体效率。

2、为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

3、掺tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其依次包括tm:ylf种子激光器、tm:ylf板条放大器、zgp光参量振荡器以及zgp光参量放大器，所述tm:ylf种子激光器输出1.908μm基频光，经tm:ylf板条放大器实现1.908μm基频光功率的放大，再直接泵浦zgp光参量振荡器以及zgp光参量放大器，所述tm:ylf板条放大器的注入端以及输出端均设有基频光耦合隔离系统，所述zgp光参量振荡器与所述zgp光参量放大器之间设有中红外激光耦合隔离系统。

4、本技术方案进一步设置为，所述tm:ylf种子激光器通过布拉格体光栅和/或标准具实现基频光波长的调控，使其远离水汽吸收峰，避免损伤，并通过声光q开关实现脉冲输出，而后注入所述tm:ylf板条放大器。

5、本技术方案进一步设置为，所述tm:ylf种子激光器采用光纤耦合的793nm ld端面泵浦tm:ylf晶体，其折叠型的谐振腔内通过声光q开关实现脉冲调制。

6、本技术方案进一步设置为，所述tm:ylf板条放大器包括793nm ld泵浦阵列以及tm:ylf板条晶体，所述793nm ld泵浦阵列分别设置于所述tm:ylf板条晶体的两端。

7、本技术方案进一步设置为，所述zgp光参量振荡器采用双凹直线短腔，其包括谐振腔镜以及第一zgp晶体，所述谐振腔镜为凹面镜。

8、本技术方案进一步设置为，所述zgp光参量振荡器采用双晶体环形腔，其包括2个第一zgp晶体以及多个反射镜，2个第一zgp晶体切割角相同、相对放置。

9、本技术方案进一步设置为，所述zgp光参量放大器包括第二zgp晶体，所述zgp光参量放大器与所述zgp光参量振荡器采用同一套tm:ylf泵浦激光，由所述zgp光参量振荡器输出的中红外激光与经tm:ylf板条放大器后分光的1.908μm基频光耦合至所述第二zgp晶体中。

10、本技术方案进一步设置为，所述基频光耦合隔离系统包括隔离组件和基频光光斑耦合组件组成，所述隔离组件包括隔离器、波片、偏振片以及吸收池，所述基频光光斑耦合组件由不同焦距的球透镜和柱透镜组成，所述隔离器对1.908μm基频光进行隔离。

11、本技术方案进一步设置为，所述中红外激光耦合隔离系统包括中红外隔离组件和中红外激光光斑耦合组件组成，所述隔离组件包括隔离器、波片、偏振片以及吸收池，所述光斑耦合组件由不同焦距的球透镜组成，所述隔离器对中红外激光进行隔离。

12、本技术方案进一步设置为，所述tm:ylf板条放大器以及所述zgp光参量放大器采用多级放大结构，相邻级的tm:ylf板条放大器之间设有基频光耦合隔离系统，相邻级的zgp光参量放大器之间设有中红外激光耦合隔离系统。

13、本实用新型的有益效果是：

14、1、采用1.908μm基频光直接泵浦zgp光参量振荡器以及zgp光参量放大器，而非采用常规的2μm ho:yag激光器进行间接泵浦，减小了1.9μm的tm激光到2μm的ho激光之间转换造成的能量损失，减小了光学系统的规模，提升了中红外激光系统从0.793μm到3～5μm的整体光光效率。

15、2、采用ylf晶体作为掺tm激光器中的基底材料，其热特性(负的热光系数)优于yap等基底材料，避免了高功率时由于热效应产生极短的热焦距，从而导致激光器不稳定，性能下降。

16、3、采用tm:ylf板条放大器实现脉冲、线偏振、窄线宽1.908μm的高功率激光输出，tm:ylf激光系统采用主振荡加放大(mopa)的技术路线，振荡级通过布拉格体光栅(vbg)和/或标准具进行波长的控制，使其远离水汽吸收峰，并通过声光q开关实现khz高重频的脉冲输出，放大级通过多级放大，分别实现跨量级的高平均功率输出。

17、4、tm:ylf激光系统充分利用一变二的“交叉弛豫”效应，通过优化掺杂浓度、板条晶体构型、泵浦设计、放大提取效率等，实现1.908μm基频光的高效率输出，zgp光参量振荡器以及放大器通过减小zgp晶体吸收损耗、提升激光抗损伤阈值、优化谐振腔参数等，实现3～5μm低阈值、高效率的中红外激光输出，从基频光、光参量振荡器以及放大器两个方面提升转换效率，进而提升整个中红外激光的转换效率，最终的光子效率目标是>100％。

18、5、采用高功率的tm:ylf激光直接泵浦zgp光参量振荡器以及zgp光参量放大器，中红外激光的功率潜力有望在现有技术水平上实现跨量级的提升。

技术特征：

1.掺tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其特征在于，其依次包括tm:ylf种子激光器、tm:ylf板条放大器、zgp光参量振荡器以及zgp光参量放大器，所述tm:ylf种子激光器输出1.908μm基频光，经tm:ylf板条放大器实现1.908μm基频光功率的放大，再直接泵浦zgp光参量振荡器以及zgp光参量放大器，所述tm:ylf板条放大器的注入端以及输出端均设有基频光耦合隔离系统，所述zgp光参量振荡器与所述zgp光参量放大器之间设有中红外激光耦合隔离系统。

2.根据权利要求1所述的掺tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其特征在于，所述tm:ylf种子激光器通过布拉格体光栅和/或标准具实现基频光波长的调控，并通过声光q开关实现脉冲输出，而后注入所述tm:ylf板条放大器。

3.根据权利要求2所述的掺tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其特征在于，所述tm:ylf种子激光器采用光纤耦合的793nm ld端面泵浦tm:ylf晶体，其折叠型的谐振腔内通过声光q开关实现脉冲调制。

4.根据权利要求3所述的掺tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其特征在于，所述tm:ylf板条放大器包括793nm ld泵浦阵列以及tm:ylf板条晶体，所述793nm ld泵浦阵列分别设置于所述tm:ylf板条晶体的两端。

5.根据权利要求1所述的掺tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其特征在于，所述zgp光参量振荡器采用双凹直线短腔，其包括谐振腔镜以及第一zgp晶体，所述谐振腔镜均为凹面镜。

6.根据权利要求1所述的掺tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其特征在于，所述zgp光参量振荡器采用双晶体环形腔，其包括2个第一zgp晶体以及多个反射镜，2个第一zgp晶体切割角相同、相对放置。

7.根据权利要求5或6所述的掺tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其特征在于，所述zgp光参量放大器包括第二zgp晶体，所述zgp光参量放大器与所述zgp光参量振荡器采用同一套tm:ylf泵浦激光，由所述zgp光参量振荡器输出的中红外激光与经tm:ylf板条放大器后分光的1.908μm基频光耦合至所述第二zgp晶体中。

8.根据权利要求1所述的掺tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其特征在于，所述基频光耦合隔离系统包括隔离组件和基频光光斑耦合组件组成，所述隔离组件包括隔离器、波片、偏振片以及吸收池，所述基频光光斑耦合组件由不同焦距的球透镜和柱透镜组成，所述隔离器对1.908μm基频光进行隔离。

9.根据权利要求8所述的掺tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其特征在于，所述中红外激光耦合隔离系统包括中红外隔离组件和中红外激光光斑耦合组件组成，所述隔离组件包括隔离器、波片、偏振片以及吸收池，所述光斑耦合组件由不同焦距的球透镜组成，所述隔离器对中红外激光进行隔离。

10.根据权利要求1所述的掺tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，其特征在于，所述tm:ylf板条放大器以及所述zgp光参量放大器采用多级放大结构，相邻级的tm:ylf板条放大器之间设有基频光耦合隔离系统，相邻级的zgp光参量放大器之间设有中红外激光耦合隔离系统。

技术总结
本技术涉及掺Tm激光器直接泵浦的高功率中红外光参量振荡放大装置，属于高功率中红外激光技术领域，其依次包括Tm:YLF种子激光器、Tm:YLF板条放大器、ZGP光参量振荡器以及ZGP光参量放大器，所述Tm:YLF种子激光器输出1.908μm基频光，经Tm:YLF板条放大器实现1.908μm基频光功率的放大，再直接泵浦ZGP光参量振荡器以及ZGP光参量放大器，所述Tm:YLF板条放大器的注入端以及输出端均设有基频光耦合隔离系统，所述ZGP光参量振荡器与所述ZGP光参量放大器之间设有中红外激光耦合隔离系统，本技术采用高功率的Tm:YLF激光直接泵浦ZGP光参量振荡器以及ZGP光参量放大器，提升了中红外激光的功率以及系统的整体效率。

技术研发人员：魏星斌,王卫民,张淞,任怀瑾,邬映臣,李密,刘政邑,冷明扬,代炆霖,叶先林,尚建立,马毅
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院应用电子学研究所
技术研发日：20230814
技术公布日：2024/2/19