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年世界上第一臺激光裝置誕生以來，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)在各個領(lǐng)域，特別是科學(xué)研究以及國防建設(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、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波長對水的吸收較弱，因此這個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現(xiàn)2.8 μπι附近激光躍迀的能級示意圖，其中對于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)能級的躍迀，相對容易實現(xiàn)，目前已發(fā)展的比較成熟。但是對于Ho' Er3+的
2.8 μπι附近激光均是分別由兩個激發(fā)態(tài)能級4111/2至4113/2和5I6S %之間躍迀產(chǎn)生的，并且激光下能級壽命較長，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提供了一個通道，圖1中UC和ESA分別表示上轉(zhuǎn)換和激發(fā)態(tài)吸收過程，其中Er3+可以直接吸收970nm栗浦光，由于Ho3+在970nm附近無吸收，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。目前國內(nèi)外主要研究的方法是通過摻入適量Pr' Eu3+及Ho 3+等退激活離子，通過離子共振能量轉(zhuǎn)移，抽空激光下能級粒子，降低能級壽命，從而期望進一步降低激光閾值，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，通過設(shè)計諧振腔結(jié)構(gòu)，可以同時輸出中紅外激光和中紅外激光下能級到基態(tài)躍迀所對應(yīng)的第二激光，從而使得中紅外激光下能級粒子快速回落到基態(tài)，從而降低激光下能級壽命，提高激光效率，并實現(xiàn)雙波長激光輸出。
[0006]針對上述目的，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)生第二波長激光，所述第一波長激光和所述第二波長激光通過諧振腔同時輸出，由于產(chǎn)生第二波長激光，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，使得所述第一波長激光的產(chǎn)生效率提高。
[0007]其中，所述第一波長激光為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)生第一波長激光和第二波長激光，所述第一波長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激光和第二波長激光的高反膜，所述第二腔鏡上鍍有將所述第一波長激光和第二波長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，用于對所述諧振腔輸出的第一波長激光和第二波長激光進行分光。
[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設(shè)置的第三腔鏡和第四腔鏡，用于產(chǎn)生第一波長激光，所述第二腔鏡組包括相對設(shè)置的第五腔鏡和第六腔鏡，用于產(chǎn)生第二波長激光；
[0012]所述激光晶體為四面拋光的晶體，所述激光晶體的每個拋光面相對所述諧振腔的一個腔鏡；并且所述激光晶體的相對所述第一腔鏡組的兩個拋光面上鍍有對所述第一波長激光透過的高透膜，相對所述第二腔鏡組的兩個拋光面上鍍有對所述第二波長激光透過的高透膜。
[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)生的第一波長激光和第二波長激光分離，所述諧振腔包括反射鏡和兩個輸出鏡，所述反射鏡的面向所述諧振腔內(nèi)部的面鍍有對應(yīng)于所述第一波長激光和第二波長激光的雙波長高反膜系，兩個所述輸出鏡上分別鍍有對應(yīng)于所述第一波長激光和所述第二波長激光的單波長耦合輸出的膜系。
[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，通過設(shè)計諧振腔結(jié)構(gòu)，可以同時輸出中紅外激光和中紅外激光下能級到基態(tài)躍迀所對應(yīng)的第二激光，從而使得中紅外激光下能級粒子快速回落到基態(tài)，從而降低激光下能級壽命，提高激光效率，并實現(xiàn)雙波長激光輸出。
【附圖說明】
[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示意圖。
[0020]圖3示出了本發(fā)明的第一實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)明的第三實施例的中紅外激光裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0024]本發(fā)明的一個實施例提供了一種中紅外激光的效率提高方法，通過設(shè)計合理的諧振腔結(jié)構(gòu)，使得原激光波長與激光下能級到基態(tài)間躍迀所對應(yīng)的激光波長(雙波長)同時輸出，由于激光下能級到基態(tài)間躍迀所產(chǎn)生的激光可以使激光下能級粒子快速回落到基態(tài)，從而降低激光下能級壽命，使得原激光的效率得到顯著提高，同時獲得雙波長輸出。
[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)生第二波長激光6，第一波長激光5和所述第二波長激光6通過諧振腔同時輸出，本發(fā)明通過將第一激發(fā)態(tài)2 (即第一波長激光產(chǎn)生過程中的下能級)躍迀到基態(tài)I產(chǎn)生的光子通過諧振腔形成第二激光，使得下能級的粒子快速回落到基態(tài)，降低了下能級的粒子的壽命，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)生第一波長激光和第二波長激光，所述第一波長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]在上述過程中，通過設(shè)置特定的諧振腔，使得中紅外激光裝置可以輸出雙波長激光，從而使得激光晶體在第一激發(fā)態(tài)(即下能級)的粒子的壽命降低，使得中紅外激光的輸出效率提高，同時還實現(xiàn)了雙波長激光輸出。
[0029]以下通過具體實施例詳細描述本發(fā)明的中紅外激光裝置，以下實施例的中紅外激光裝置，均包括栗浦源、激光晶體和諧振腔，通過設(shè)置不同的諧振腔以及激光晶體，實現(xiàn)雙波長激光的輸出。
[0030]實施例一
[0031]圖3示出了本發(fā)明的第一實施例的中紅外激光裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]參照圖3，本發(fā)明的第一實施例中，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激光和第二波長激光的高反膜，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激光和第二波長激光耦合輸出的I吳系。
[0033]通過上述設(shè)置，栗浦源10發(fā)射的栗浦光通過耦合鏡40后入射到激光晶體20上，激光晶體20吸收栗浦光后實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的熒光在諧振腔30內(nèi)實現(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，因此可以同時對激光晶體產(chǎn)生的兩個波長的激光同時實現(xiàn)振蕩放大，從而輸出雙波長激光。
[0034]另外，在諧振腔30的輸出光路上還設(shè)置有分光鏡50，用于對諧振腔30輸出的第一激光和第二激光進行分光。
[0035]本實施例中，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)生的兩束不同波長的激光同時振蕩放大，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)