以可饱和吸收体作为选频和调Q元件的双波长激光器及应用

摘要

本发明涉及一种以可饱和吸收体作为选频和调Q元件的双波长激光器及应用。双波长激光器，包括闪光灯或者激光二极管泵浦源，在适当抑制1.06微米激光的激光谐振腔中插入对1.05微米或1.08微米强吸收的可饱和吸收体，以激光材料为增益介质。通过可饱和吸收体Cr:YAG或半导体对1.05或者1.08微米激光强吸收、对1.06微米激光相对弱吸收的特点进行选频，与端面或者侧面泵浦的激光装置相结合，产生双波长脉冲激光，利用该激光的差频实现太赫兹输出。该激光器具有结构紧凑、操作简单、光束质量好、转换效率高、成本低，便于工业化大批量制造等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种以可饱和吸收体作为选频和调Q元件的双波长激光器及应用，属于激光技术领域。

背景技术

太赫兹辐射是指波长从30微米到3000微米、频率从0.1THz到10THz的电磁波。由于这种光具有长波长和低光子能量等特点，已经在科学研究和技术应用方面展示了诱人前景。通过两束近红外激光进行差频产生的太赫兹辐射具有高峰值功率的特点，成为近年来人们关注的热点。但是这种方法不仅需要庞大且复杂的光学系统产生双波长激光，而且需要一些光学元件将这两束光合并，这给太赫兹波的产生和应用带来了极大不便。可以看出，波长相近的双波长激光的自差频是客服这一困难的最理想的方法。2007年，Creeden等人利用波长为1064.2nm和1059nm的双波长光纤激光的自差频实现了太赫兹辐射(Opt.Express，15，6478-6483(2007))，但是到目前为止，由于缺少合适的双波长晶体激光器，还没有利用晶体激光的自差频实现太赫兹辐射的报道。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种以可饱和吸收体作为选频和调Q元件的双波长激光器及应用。

术语解释：

Nd:YAG是掺钕钇铝石榴石的简称；Nd:YAP是掺钕铝酸钇的简称；Nd:GGG是掺钕钆镓石榴石的简称；Nd:CNGG是掺钕钙铌镓石榴石的简称；Nd:CLNGG是掺钕和锂的钙铌镓石榴石的简称；Nd:RVO₄(R＝Gd，Lu、Y和La)是掺钕钒酸盐晶体的简称；Cr⁴⁺:YAG是掺四价铬钇铝石榴石晶体的简称。按本领域惯例，本申请文件中使用上述简称。

发明详述

一、双波长激光器

本发明的双波长激光器，包括闪光灯或者激光二极管(LD)泵浦源，在适当抑制1.06微米激光的激光谐振腔中插入对1.05微米或1.08微米强吸收的可饱和吸收体，以激光材料为增益介质；其中，所述的激光材料是下列之一：

(1)Nd:YAG、Nd:YAP、Nd:GGG、Nd:CNGG、Nd:CLNGG、Nd:RVO₄(R＝Gd，Lu、Y或La)晶体，晶体双面抛光，不镀膜或者镀以对泵浦光和双波长都抗反射的介质膜；

(2)Nd:YAG、Nd:YAP、Nd:GGG、Nd:CNGG、Nd:CLNGG、Nd:RVO₄(R＝Gd，Lu、Y或La)陶瓷，陶瓷双面抛光，不镀膜或者镀以对泵浦光和双波长都抗反射的介质膜；

所述的可饱和吸收体是Cr:YAG晶体或者半导体，双面抛光且镀以对双波长都抗反射的介质膜。

可饱和吸收体Cr:YAG晶体或半导体是对激光材料中小的发射1.05微米或1.08微米吸收大，而对大的发射1.06微米吸收小的可饱和吸收材料。

上述可产生太赫兹辐射的双波长激光器，优选的，以LD作为泵浦源、以Nd:YAG晶体作为增益材料、以Cr:YAG晶体作为可饱和吸收体。

本发明选用的激光材料Nd:YAG、Nd:YAP、Nd:GGG、Nd:CNGG、Nd:CLNGG和Nd:RVO₄(R＝Gd，Lu、Y和La)晶体或陶瓷，由于Nd离子处于晶格场中，其发射光谱会发生斯塔克分裂。光谱分析表明，Nd:YAG、Nd:GGG、Nd:CNGG、Nd:CLNGG、Nd:RVO4(R＝Gd，Lu、Y或La)晶体或陶瓷在近红外波段具有较多的发射峰，选择合适的发射峰实现双波长激光输出，可以通过其差频实现太赫兹发射。

以上所述的对晶体进行加工、抛光，或者再镀膜，均采用本领域现有技术即可。

本发明的双波长激光器，双波长激光的实现基于对激光二极管(LD)或者闪光灯端面或者侧面泵浦的激光器。其具体原理如下：

可在适当抑制1.06微米激光的激光谐振腔中(损耗为70-90％)，实现1.05或者1.08微米单波长连续激光输出。谐振腔中插入可饱和吸收体，利用可饱和吸收体对1.05或1.08微米强的吸收，对1.05或1.08微米激光进行适当抑制。可饱和吸收体的可饱和吸收性能使得在激光脉冲开始时，其激光材料的增益很大，此时由于Nd离子在1.06微米发射时大的荧光分值比，激光材料在该波段的增益会大于损耗，这样就可以在脉冲激光中同时实现1.05或1.08微米与1.06微米波长的同时发射。由于两种波长的发射截面不同，且谐振腔对其损耗也不同，可以通过调节泵浦功率实现对双波长功率密度的比值进行调节。

二、双波长激光器的应用

本发明双波长激光器的应用，利用激光器同时输出波长相近的双波长脉冲激光的差频获得太赫兹辐射。具体方法如下：

利用聚焦系统将双波长脉冲激光照射到谐振腔外放置的合适的非线性材料上，通过腔外差频产生太赫兹辐射；或者将非线性材料直接放入激光谐振腔内，通过腔内差频产生太赫兹辐射。所述的合适的非线性材料为本领域公知技术，例如周期性极化的铌酸锂、合适切向的砷化镓或者磷化镓等。

本发明的技术特点几两效果在于：

1、本发明的双波长激光器以可饱和吸收体作为选频和调Q元件，以Nd掺杂激光材料作为增益介质，在对1.06微米激光适当抑制(损耗70-90％)，对另一波长(1.05或1.08微米)高反射(R＝70-80％)的谐振腔中同时输出波长相近的双波长脉冲激光。

2、通过双波长激光的差频实现太赫兹发射。

3、本发明的双波长激光器具有结构紧凑、操作简单、光束质量好、转换效率高、成本低，便于工业化大批量制造等优点。

附图说明

图1是本发明双波长激光器的示意图，其中，1是耦合光纤，2是聚焦系统，LD是激光二极管泵浦源，M1为镀以对1.06和1.05微米全反射的入射镜，M2为对1.06微米透过77％、对1.05微米透过30％的输出镜，Nd:YAG是激光晶体，Cr:YAG为可饱和吸收体。图中箭头指示的是光束传播的方向。

图2是本发明实施例1双波长激光器在不同泵浦功率时输出波长的相对大小，横坐标是波长(nm)，纵坐标是相对强度(任意单位)。其中图2(a)是入射泵浦功率(P_in)小于4.55W时的激光光谱，图2(b)是入射泵浦功率为4.55W时的激光光谱，图2(c)是入射泵浦功率为8.56W时激光光谱，图2(d)是入射泵浦功率为17.25W时的激光光谱，由图中可以看出输出激光的波长成分随泵浦功率增加逐渐变化，1.06微米的成分逐渐增加。最大平均输出功率为3.75W，峰值功率为3.79kW。

图3是本发明实施例2双波长激光器在不同泵浦功率时输出波长的相对大小，横坐标是波长(nm)，纵坐标是相对强度(任意单位)。其中，图3(a)-(d)为初始透过率为91％的Cr:YAG作为可饱和吸收体时分别在入射泵浦功率(P_in)2.63W、3.79W、13W、17W时的激光光谱。图3(e)-(h)为初始透过率为77％的Cr:YAG作为可饱和吸收体时分别在入射泵浦功率(P_in)4.55W、7.02W、13W、17W时的激光光谱。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1.

一种可产生双波长的激光器，以LD作为泵浦源、以Nd:YAG晶体作为增益材料、以Cr:YAG作为可饱和吸收体的元件进行封装而成的激光器(如图1所示)，通过聚焦系统将泵浦光聚焦到激光晶体Nd:YAG上；M1为镀以对1.06和1.05微米全反射的入射镜；Nd:YAG中Nd浓度为1.1at％，尺寸为3mm×3mm×6mm，放入水冷的铜块中；Cr:YAG为对1.06微米透过97％的可饱和吸收体；M2为对1.06微米透过77％、对1.05微米透过30％的输出镜；整个谐振腔长为2.5cm。输出波长随泵浦功率的增加逐渐变化，1.06微米的成分逐渐增加，如图2所示。最大平均输出功率为3.75W，峰值功率为3.79kW。

实施例2.

一种可产生双波长的激光器，以LD作为泵浦源、以Nd:YAG陶瓷作为增益材料、以Cr:YAG作为可饱和吸收体的元件进行封装而成的激光器(结构如图1所示)，通过聚焦系统将泵浦光聚焦到激光陶瓷Nd:YAG上；M1为镀以对1.06和1.05微米全反射的入射镜；Nd:YAG中Nd浓度为2at％，尺寸为3mm×3mm×4.96mm，放入水冷的铜块中；Cr:YAG为对1.06微米透过分别为91％和77％的两块可饱和吸收体；M2为对1.06微米透过85.6％、对1.05微米透过21％的输出镜；整个谐振腔长为2.5cm。

当选用初始透过率为91％的Cr:YAG时，如图3(a)-(d)所示：泵浦功率低于3.79W时，输出波长为1.05微米，当泵浦功率高于3.79W时，波长为1.06微米的成分出现，并且输出波长随泵浦功率的增加逐渐变化，1.06微米的成分逐渐增加。最大平均输出功率为2.82W。

当选用初始透过率为77％可饱和吸收体时，如图3(f)-(h)所示：当泵浦功率低于7.02W时，输出波长为1.06微米，当泵浦功率高于7.02W时，波长为1.05微米的成分出现，并且输出波长随泵浦功率的增加逐渐变化，1.05微米的成分逐渐增加。最大平均输出功率为1.81W，峰值功率为21.5kW。