激光二极管侧面泵浦的铥钬双掺的氟化镥锂晶体激光器

摘要

一种激光二极管侧面泵浦的铥钬双掺的氟化镥锂晶体激光器，其特点是采用激光二极管阵列侧面泵浦；所述的激光谐振腔是由后反射镜和前反射镜组成，中间放置了Tm:Ho:LuLF晶体，本发明具有结构紧凑，泵浦阈值低，激光输出波长在2μm附近，并且脉冲重复频率可调，脉冲能量大的优点，在激光测距、相干多普勒测风雷达等方面都有着广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及激光器，特别是一种激光二极管侧面泵浦的铥钬双掺的氟化镥锂晶体激光器，尤其是整个腔型结构和半导体二极管的泵浦方式。

背景技术

具有白钨矿结构的Nd:CaWO₄晶体是最早实现室温连续激光输出的晶体，而氟化钇锂(以下简称为YLF)晶体是白钨酸钙晶体以后，至今从白钨矿结构晶体材料中筛选出来的很有用的激光基质晶体。它具有四方晶系结构，三价稀土离子可取代Y³⁺格位，而无需电荷补偿，所以很多稀土离子掺入后都实现了偏振激光的输出。当铥Tm³⁺和钬Ho³⁺同时掺杂在YLF晶体中时，可以产生2μm波长的激光。

参见图1，Tm³⁺和Ho³⁺共掺产生2μm波长的过程如下：

由波长为792nm的泵浦光把粒子从Tm³⁺:3H₆态激发到Tm³⁺:3H₄态；当Tm³⁺的掺杂浓度超过一定值时，横向弛豫过程就会发生，即Tm³⁺:3H₄态粒子向下跃迁辐射，同时Tm³⁺:3H₆态粒子向上激发，最终两个粒子稳定在Tm³+:3F₄态下；由于Tm³⁺:3F₄态与Ho³⁺:5I₇态靠的很近，两者容易进行能量交换；Tm³⁺:3F₄态向Ho³⁺:5I₇态有效的能量转移使Ho³⁺在5I₇态能级有显著的集居，最终导致Ho³⁺从5I₇态向5I₈态跃迁，便产生了2μm激光。

在双掺晶体中，严重的上转换损耗和能量反转移使得激光器能量和平均功率放大变得困难，这些效应产生大的热负载，限制了激光性能。但是由于YLF是一个低声子能材料，所以同其他基质相比有很多优点，其上转换损耗小，具有好的抗光学损伤能力，没有热诱发的双折射，所以输出激光的性能比较好。

参见图2，现有的Tm，Ho:YLF激光器包括激光二极管21、圆透镜22、柱透镜23、圆透镜24、Tm，Ho:YLF晶体25、制冷器26和输出镜27。由功率为3W的激光二极管发出的792nm波长的激光经过8mm焦距的圆透镜22进行会聚，然后通过100mm焦距的柱透镜23进行整形，最后经过50mm的圆透镜24聚焦到Tm，Ho:YLF晶体的表面。泵浦光经过这样的耦合后，可以聚焦到100×100μm2的范围内。这种光束整形系统的耦合效率能达到91％。晶体的前表面和输出耦合镜构成一个平凹腔，使整个激光器结构变得非常简单紧凑。该激光系统获得波长2.067μm的输出，功率为393mW，光光效率为14％。

可见，这种端面泵浦方式的激光器不能获得大功率激光的输出，对很多应用是远远不够的。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光二极管侧面泵浦的铥钬双掺的氟化镥锂晶体激光器，以实现大脉冲能量的2μm激光输出，且要求结构紧凑。

本发明的技术解决方案如下：

一种激光二极管侧面泵浦的铥钬双掺的氟化镥锂晶体激光器，包括一个经过微柱透镜初步耦合的激光二极管阵列、耦合系统和激光谐振腔，其特点是所述的耦合系统是由两个正交设置的柱透镜组成的，该2个柱透镜分别对应激光二极管阵列的快轴和慢轴方向；所述的激光谐振腔是由后反射镜和前反射镜组成，中间放置Tm:Ho:LuLF晶体，后反射镜镀上对2.053μm波长光的全反膜，前反射镜是输出镜，镀上对2.053μm波长光的部分透射膜，所述的Tm:Ho:LuLF晶体的一个侧面镀上对泵浦光的增透膜，与之相对的另一侧面镀上对泵浦光的全反膜，所述的激光二极管阵列发出的激光经耦合系统耦合后照射到所述的Tm:Ho:LuLF晶体的具有泵浦光增透膜的一侧面上。

所述的激光谐振腔是短腔长的平平腔或平凹腔。

所述的激光二极管阵列经过微柱透镜初步耦合的激光二极管阵列，发出中心波长为792nm的激光。

所述的Tm:Ho:LuLF晶体为晶体板条。

本发明所述的LD泵浦Tm:Ho:LuLF晶体激光器，使用了高功率高效率的激光二极管、用于侧面泵浦的耦合系统和结构简易的谐振腔，实现了全固态2μm激光的脉冲输出。本发明基于Tm:Ho:LuLF晶体中Ho离子从5I₇态向5I₈态跃迁产生2.053μm的激光，从而首次实现国内LD泵浦下的Tm:Ho:LuLF激光运转。

同现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、高效的简易腔型结构使激光输出更容易；

2、与现有的Tm:Ho:YLF激光器相比，Tm:Ho:LuLF的吸收系数大，所以泵浦阈值降低；而且LuLF比YLF的上转换损耗小的多，所以更容易实现大功率激光输出；

3、高功率激光二极管的使用及其侧面泵浦方式使泵浦光可以泵浦到工作物质的各个部分和方向，可以充分利用介质激活区；泵浦比较均匀，热效应较小；可以在工作物质的长度范围内加更多的激光二极管，因此容易获得大功率激光输出；

4、2μm激光大脉冲能量的输出在遥感和光通信方面有重要的应用前景，为激光测距机、相干多普勒测风雷达提供理想的光源。

以下结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的说明。

附图说明

图1是Tm，Ho共掺系统的基本能级结构。

图2是公开文章(Xinlu Zhang，Youlun Ju，Yuezhu Wang.Diode-end-pumped room temperature Tm，Ho：YLF lasers.J.OPTICS EXPRESS，2005，13(11)：4056～4063)中的激光器结构示意图。

图3是本发明的结构示意图。

具体实施方式

先请参阅图3，图3是本发明激光二极管侧面泵浦的铥钬双掺的氟化镥锂晶体激光器的结构示意图，由图可见，本发明激光二极管侧面泵浦的铥钬双掺的氟化镥锂晶体激光器，包括一个经过微柱透镜初步耦合的激光二极管阵列1、耦合系统2和激光谐振腔3，所述的耦合系统2是由两个正交设置的柱透镜201、202组成，该2个柱透镜分别对应激光二极管阵列1的快轴和慢轴方向进行耦合；所述的激光谐振腔3是由后反射镜301和前反射镜303组成，中间放置了Tm:Ho:LuLF晶体302，后反射镜301镀上对2.053μm波长光的全反膜，前反射镜303是输出镜，镀上对2.053μm波长光的部分透射膜，所述的Tm:Ho:LuLF晶体302的一个侧面镀上对泵浦光的增透膜，与之相对的另一侧面镀上对泵浦光的全反膜，所述的激光二极管阵列1发出的中心波长为792nm的光作为泵浦光经耦合系统2耦合后照射到所述的Tm:Ho:LuLF晶体302的具有泵浦光增透膜的一侧面上。

参见图3，以激光二极管阵列侧面泵浦和平平腔为例：

Tm:Ho:LuLF晶体经过定向切割和光学加工，长度为5mm，端面大小为3mm×3mm。

所述的激光谐振腔是平平腔，激光谐振腔长度在80-100mm之间。中心输出波长为792nm的激光二极管阵列经过微柱透镜准直输出并经过柱透镜聚焦系统2，其中柱透镜焦距约为40mm，之后792nm激光聚焦到Tm:Ho:LuLF晶体302上。激光晶体302的长度为5mm，Tm的含量为6atm％，Ho的含量为0.5atm％，两端面镀2.053μm增透膜，聚焦透镜系统的焦点在晶体中间。后反射镜对2.053μm波长的光全反射，前反射镜所镀的膜对2.053μm波长的光是80％反射，这样整个系统就能形成激光振荡。经过不断光学调节和准直后就可以获得2.053μm的激光脉冲输出，单脉冲能量可以达到10mJ以上。

综上所述，本发明结构紧凑，激光输出波长在2m附近，并且脉冲重复频率可调、单脉冲能量大，因此在激光测距、相干多普勒测风雷达等方面都有着广阔的应用前景。