一種中紅外激光的效率提高方法及中紅外激光裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光裝置技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種中紅外激光的效率提高方法及中紅外激光裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]自1960年世界上第一臺(tái)激光裝置誕生以來(lái)，各類激光裝置及激光技術(shù)的發(fā)展極為迅速。激光技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域，特別是科學(xué)研究以及國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及社會(huì)發(fā)展的重要支柱之一。其中，中紅外2.7-3 μπι激光波段處于水的強(qiáng)吸收帶，其比10.6μπι更易被水、Ca、P等吸收，可用于多水分的身體軟組織及骨的切開(kāi)、切除手術(shù)，因此在生物醫(yī)療中有著重要的應(yīng)用，目前已應(yīng)用在眼科、牙科及激光美容手術(shù)中。另外在Ilkm以上高空及太空，由于水汽含量大量減少，大氣吸收也大為減少，并且
2.7-3 μπι波段之間還有亞精細(xì)波長(zhǎng)對(duì)水的吸收較弱，因此這個(gè)波段的激光可直接用于太空軍事及科學(xué)研究。
[0003]目前能夠直接實(shí)現(xiàn)2.7-3 μπι激光輸出的稀土激活離子主要有Er' Ho'圖1為這兩種激活離子實(shí)現(xiàn)2.8 μπι附近激光躍迀的能級(jí)示意圖，其中對(duì)于Er3+離子的1.5 μπι附近(％3/2至％5/2躍迀)和Ho 3+離子的2.0 μπι附近(5I7至5I8躍迀)近紅外激光，由于是激發(fā)態(tài)至基態(tài)能級(jí)的躍迀，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，目前已發(fā)展的比較成熟。但是對(duì)于Ho' Er3+的
2.8 μπι附近激光均是分別由兩個(gè)激發(fā)態(tài)能級(jí)4111/2至4113/2和5I6S %之間躍迀產(chǎn)生的，并且激光下能級(jí)壽命較長(zhǎng)，不利于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，因此原則上是自終止的，其2.8 μ m激光之所以能夠正常工作，主要是由于上轉(zhuǎn)換和激發(fā)態(tài)吸收為抽空激光下能級(jí)提供了一個(gè)通道，圖1中UC和ESA分別表示上轉(zhuǎn)換和激發(fā)態(tài)吸收過(guò)程，其中Er3+可以直接吸收970nm栗浦光，由于Ho3+在970nm附近無(wú)吸收，所以使用Yb 3+作為敏化離子，吸收栗浦光能量傳遞給Ho 3+離子。
[0004]即便如此，雖然實(shí)現(xiàn)了 Ho3+和Er 3+2.7-3 μ m波段的激光輸出，但是兩種激活離子的中紅外激光效率和輸出功率還是受到了影響。目前國(guó)內(nèi)外主要研究的方法是通過(guò)摻入適量Pr' Eu3+及Ho 3+等退激活離子，通過(guò)離子共振能量轉(zhuǎn)移，抽空激光下能級(jí)粒子，降低能級(jí)壽命，從而期望進(jìn)一步降低激光閾值，提高激光效率和功率。該方法雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了提高激光輸出功率及效率，但仍不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]基于上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種中紅外激光的效率提高方法及中紅外激光裝置，通過(guò)設(shè)計(jì)諧振腔結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)輸出中紅外激光和中紅外激光下能級(jí)到基態(tài)躍迀所對(duì)應(yīng)的第二激光，從而使得中紅外激光下能級(jí)粒子快速回落到基態(tài)，從而降低激光下能級(jí)壽命，提高激光效率，并實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)激光輸出。
[0006]針對(duì)上述目的，本發(fā)明提供一種中紅外激光的效率提高方法，其特征在于，激光晶體的能級(jí)由低到高至少包括基態(tài)、第一激發(fā)態(tài)和第二激發(fā)態(tài)，所述第二激發(fā)態(tài)至所述第一激發(fā)態(tài)的粒子躍迀產(chǎn)生第一波長(zhǎng)激光，所述第一激發(fā)態(tài)至所述基態(tài)的粒子躍迀產(chǎn)生第二波長(zhǎng)激光，所述第一波長(zhǎng)激光和所述第二波長(zhǎng)激光通過(guò)諧振腔同時(shí)輸出，由于產(chǎn)生第二波長(zhǎng)激光，使得第一激發(fā)態(tài)的粒子快速回落到基態(tài)，降低了粒子在所示第一激發(fā)態(tài)的壽命，使得所述第一波長(zhǎng)激光的產(chǎn)生效率提高。
[0007]其中，所述第一波長(zhǎng)激光為2.7-3 μπι的中紅外激光，所述激光晶體為摻雜Er3+的晶體或摻雜Ho3+或/和其他敏化離子的晶體。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種中紅外激光裝置，包括栗浦源、激光晶體和諧振腔，所述激光晶體位于所述諧振腔內(nèi)，所述栗浦源發(fā)出栗浦光并入射到所述激光晶體上，其特征在于，所述激光晶體的能級(jí)由低至高至少包括基態(tài)、第一激發(fā)態(tài)和第二激發(fā)態(tài)，所述激光晶體受激后發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生第一波長(zhǎng)激光和第二波長(zhǎng)激光，所述第一波長(zhǎng)激光為從所述第二激發(fā)態(tài)到所述第一激發(fā)態(tài)粒子躍迀產(chǎn)生的中紅外激光，所述第二波長(zhǎng)激光為從所述第一激發(fā)態(tài)到基態(tài)的粒子躍迀產(chǎn)生的激光。
[0009]其中，所述諧振腔包括第一腔鏡和第二腔鏡，所述第一腔鏡的面向所述諧振腔內(nèi)部的表面上鍍有反射所述第一波長(zhǎng)激光和第二波長(zhǎng)激光的高反膜，所述第二腔鏡上鍍有將所述第一波長(zhǎng)激光和第二波長(zhǎng)激光耦合輸出的膜系。
[0010]其中，所述激光裝置還包括分光鏡，所述分光鏡位于所述諧振腔的輸出光路上，用于對(duì)所述諧振腔輸出的第一波長(zhǎng)激光和第二波長(zhǎng)激光進(jìn)行分光。
[0011]其中，所述諧振腔包括第一腔鏡組和第二腔鏡組，所述第一腔鏡組包括相對(duì)設(shè)置的第三腔鏡和第四腔鏡，用于產(chǎn)生第一波長(zhǎng)激光，所述第二腔鏡組包括相對(duì)設(shè)置的第五腔鏡和第六腔鏡，用于產(chǎn)生第二波長(zhǎng)激光；
[0012]所述激光晶體為四面拋光的晶體，所述激光晶體的每個(gè)拋光面相對(duì)所述諧振腔的一個(gè)腔鏡；并且所述激光晶體的相對(duì)所述第一腔鏡組的兩個(gè)拋光面上鍍有對(duì)所述第一波長(zhǎng)激光透過(guò)的高透膜，相對(duì)所述第二腔鏡組的兩個(gè)拋光面上鍍有對(duì)所述第二波長(zhǎng)激光透過(guò)的高透膜。
[0013]其中，所述第三腔鏡和第四腔鏡在垂直于所述栗浦光方向相對(duì)設(shè)置，所述第五腔鏡和第六腔鏡在平行于所述栗浦光方向相對(duì)設(shè)置。
[0014]其中，所述激光裝置還包括設(shè)置在所述諧振腔內(nèi)部的色散元件，用于將所述激光晶體產(chǎn)生的第一波長(zhǎng)激光和第二波長(zhǎng)激光分離，所述諧振腔包括反射鏡和兩個(gè)輸出鏡，所述反射鏡的面向所述諧振腔內(nèi)部的面鍍有對(duì)應(yīng)于所述第一波長(zhǎng)激光和第二波長(zhǎng)激光的雙波長(zhǎng)高反膜系，兩個(gè)所述輸出鏡上分別鍍有對(duì)應(yīng)于所述第一波長(zhǎng)激光和所述第二波長(zhǎng)激光的單波長(zhǎng)耦合輸出的膜系。
[0015]其中，所述色散元件為光柵或棱鏡。
[0016]其中，所述激光晶體為摻Er3+的晶體或摻雜Ho 3+或/和敏化離子的晶體。
[0017]本發(fā)明提供的中紅外激光的效率提高方法及中紅外激光裝置，通過(guò)設(shè)計(jì)諧振腔結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)輸出中紅外激光和中紅外激光下能級(jí)到基態(tài)躍迀所對(duì)應(yīng)的第二激光，從而使得中紅外激光下能級(jí)粒子快速回落到基態(tài)，從而降低激光下能級(jí)壽命，提高激光效率，并實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)激光輸出。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1示出了 Er3+離子與Ho 3+離子在受激后產(chǎn)生中紅外激光的能級(jí)躍迀示意圖。
[0019]圖2示出了本發(fā)明的中紅外激光裝置的激光晶體的能級(jí)示意圖。
[0020]圖3示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例的中紅外激光裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖4示出了本發(fā)明的第二實(shí)施例的中紅外激光裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖5示出了本發(fā)明的第三實(shí)施例的中紅外激光裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
[0024]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種中紅外激光的效率提高方法，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的諧振腔結(jié)構(gòu)，使得原激光波長(zhǎng)與激光下能級(jí)到基態(tài)間躍迀所對(duì)應(yīng)的激光波長(zhǎng)(雙波長(zhǎng))同時(shí)輸出，由于激光下能級(jí)到基態(tài)間躍迀所產(chǎn)生的激光可以使激光下能級(jí)粒子快速回落到基態(tài)，從而降低激光下能級(jí)壽命，使得原激光的效率得到顯著提高，同時(shí)獲得雙波長(zhǎng)輸出。
[0025]具體地，本發(fā)明的方法包括:如圖2所示，激光晶體的能級(jí)由低到高至少包括基態(tài)1、第一激發(fā)態(tài)2和第二激發(fā)態(tài)3，在栗浦光4的激發(fā)下，第二激發(fā)態(tài)3至第一激發(fā)態(tài)2的粒子躍迀產(chǎn)生第一波長(zhǎng)激光5，第一激發(fā)態(tài)2至所述基態(tài)I的粒子躍迀產(chǎn)生第二波長(zhǎng)激光6，第一波長(zhǎng)激光5和所述第二波長(zhǎng)激光6通過(guò)諧振腔同時(shí)輸出，本發(fā)明通過(guò)將第一激發(fā)態(tài)2 (即第一波長(zhǎng)激光產(chǎn)生過(guò)程中的下能級(jí))躍迀到基態(tài)I產(chǎn)生的光子通過(guò)諧振腔形成第二激光，使得下能級(jí)的粒子快速回落到基態(tài)，降低了下能級(jí)的粒子的壽命，從而提高了粒子從第二激發(fā)態(tài)躍迀到第一激發(fā)態(tài)的效率，使得產(chǎn)生中紅外激光的效率提高。
[0026]在本發(fā)明中，第一波長(zhǎng)激光為2.7-3 μπι的中紅外激光，激光晶體為摻雜Er3+的晶體或摻雜Ho3+或/和其他敏化離子的晶體，即本發(fā)明的激光晶體可以是摻雜Er3+的晶體、摻雜Ho3+晶體、摻雜Ho3+和其他敏化離子的晶體或是其他敏化離子的晶體，本發(fā)明的敏化離子是適于產(chǎn)生中紅外激光的所有的敏化離子，在此不做限定。
[0027]在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種中紅外激光裝置，該裝置包括栗浦源、激光晶體和諧振腔，所述激光晶體位于所述諧振腔內(nèi)，所述栗浦源發(fā)出栗浦光并入射到所述激光晶體上，所述激光晶體的能級(jí)由低至高至少包括基態(tài)、第一激發(fā)態(tài)和第二激發(fā)態(tài)，所述激光晶體受激后發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生第一波長(zhǎng)激光和第二波長(zhǎng)激光，所述第一波長(zhǎng)激光為從所述第二激發(fā)態(tài)到所述第一激發(fā)態(tài)躍迀產(chǎn)生的中紅外激光，所述第二波長(zhǎng)激光為從所述第一激發(fā)態(tài)到基態(tài)躍迀產(chǎn)生的激光。
[0028]在上述過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置特定的諧振腔，使得中紅外激光裝置可以輸出雙波長(zhǎng)激光，從而使得激光晶體在第一激發(fā)態(tài)(即下能級(jí))的粒子的壽命降低，使得中紅外激光的輸出效率提高，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了雙波長(zhǎng)激光輸出。
[0029]以下通過(guò)具體實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明的中紅外激光裝置，以下實(shí)施例的中紅外激光裝置，均包括栗浦源、激光晶體和諧振腔，通過(guò)設(shè)置不同的諧振腔以及激光晶體，實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)激光的輸出。
[0030]實(shí)施例一
[0031]圖3示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例的中紅外激光裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]參照?qǐng)D3，本發(fā)明的第一實(shí)施例中，諧振腔30包括第一腔鏡301和第二腔鏡302，并且第一腔鏡301和第二腔鏡302的面向諧振腔內(nèi)部的表面上分別具有雙層膜系，即第一腔鏡301的面向諧振腔30內(nèi)部的表面上鍍有反射第一波長(zhǎng)激光和第二波長(zhǎng)激光的高反膜，第二腔鏡302的面向諧振腔30內(nèi)部的表面上鍍有將第一波長(zhǎng)激光和第二波長(zhǎng)激光耦合輸出的I吳系。
[0033]通過(guò)上述設(shè)置，栗浦源10發(fā)射的栗浦光通過(guò)耦合鏡40后入射到激光晶體20上，激光晶體20吸收栗浦光后實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的熒光在諧振腔30內(nèi)實(shí)現(xiàn)振蕩放大，由于第一腔鏡301和第二腔鏡302的內(nèi)部具有雙層膜系，因此可以同時(shí)對(duì)激光晶體產(chǎn)生的兩個(gè)波長(zhǎng)的激光同時(shí)實(shí)現(xiàn)振蕩放大，從而輸出雙波長(zhǎng)激光。
[0034]另外，在諧振腔30的輸出光路上還設(shè)置有分光鏡50，用于對(duì)諧振腔30輸出的第一激光和第二激光進(jìn)行分光。
[0035]本實(shí)施例中，由于諧振腔的第一腔鏡和第二腔鏡上具有不同的雙層膜系，從而使得激光晶體20產(chǎn)生的兩束不同波長(zhǎng)的激光同時(shí)振蕩放大，其中，第一激光是從第二激發(fā)態(tài)到第一激發(fā)態(tài)躍迀產(chǎn)生的中紅外激光，而第二激光為從第一激發(fā)態(tài)到基態(tài)躍迀產(chǎn)