阅读说明：本技术 一种基于热电制冷的温度调谐型Fe:ZnSe激光器 (Thermoelectric refrigeration-based temperature tuning type Fe-ZnSe laser ) 是由 马杰 沈吉 杨帆 高泰鹏 唐定远 沈德元 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了激光器领域的一种基于热电制冷的温度调谐型Fe:ZnSe激光器,包括Fe:ZnSe晶体、泵浦激光源、半导体热电制冷装置、激光谐振腔；所述泵浦激光源发射出泵浦光,并经过泵浦光整形耦合元件后入射至Fe:ZnSe晶体；所述Fe:ZnSe晶体设置于激光谐振腔内；所述Fe:ZnSe晶体固定在热沉上,热沉与半导体热电制冷装置连接；所述Fe:ZnSe晶体、热沉设置于真空腔内；通过半导体热电制冷器件大范围调控激光器中Fe:ZnSe晶体运转温度,从而实现对其不同光谱荧光寿命的有效调控,进而获得不同波长的可调谐中红外激光输出；半导体热电制冷器件温度响应时间快、结构简单紧凑、成本低,十分有利于发展不同应用需求的高性能可调谐中红外光源。(The invention discloses a thermoelectric refrigeration-based temperature tuning type Fe: ZnSe laser in the field of lasers, which comprises a Fe: ZnSe crystal, a pump laser source, a semiconductor thermoelectric refrigeration device and a laser resonant cavity; the pump laser source emits pump light, and the pump light is incident to the Fe: ZnSe crystal after passing through the pump light shaping coupling element; the Fe: ZnSe crystal is arranged in the laser resonant cavity; the Fe: ZnSe crystal is fixed on a heat sink, and the heat sink is connected with the semiconductor thermoelectric refrigerating device; the Fe, ZnSe crystal and the heat sink are arranged in the vacuum cavity; the operating temperature of the Fe: ZnSe crystal in the laser is regulated and controlled in a large range by the semiconductor thermoelectric refrigerating device, so that the effective regulation and control of the fluorescence life of different spectra of the laser are realized, and further, the tunable mid-infrared laser output with different wavelengths is obtained; the semiconductor thermoelectric refrigerating device has the advantages of quick temperature response time, simple and compact structure and low cost, and is very favorable for developing high-performance tunable mid-infrared light sources with different application requirements.)

一种基于热电制冷的温度调谐型Fe:ZnSe激光器

技术领域

本发明属于激光器技术领域，具体涉及Fe:ZnSe晶体激光器。

背景技术

3～5μm波段中红外辐射位于大气透过率高的传输窗口，理想的大气传输特性使得该波段激光器在大气环境监测、医疗(如生物组织烧蚀)、激光雷达、空间光通信等领域具有重要的应用价值。此外，在实际应用中，固定波长的激光器系统往往不能很好的满足人们的实际应用需求，如激光雷达和高精度光谱分析等，在要求光源稳定性佳、抗损伤能力强的同时，人们还要求能够实现光源的波长可调节性，从而使得测量和应用的范围更广泛，使用更为灵活。为此，如何获得稳定且质量优秀的可调谐中红外激光成为了人们研究和努力的方向。

目前获取可调谐中红外激光的方法主要有三种：使用激光谐振腔内机械可移动部件，如衍射光栅、棱镜、标准具或微电子机械系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)等作为波长调谐单元的系统；使用腔内不可移动的光学器件进行调节的系统，包括使用磁光器件、声光器件、电光器件进行波长调谐；对于中红外波段的半导体激光器，经常采用改变注入电流的方式选择波长，进而实现不同波长的中红外激光输出。这三种主要的波长调谐方法中，通过机械调节光栅、棱镜等来调节波长的技术对机械冲击和震动的干扰抵抗非常差，会引起短期甚至长期的性能不稳定，从而影响激光器输出功率和带来能量损耗；而使用磁光器件、声光器件、电光器件等器件进行波长调谐的方法也不可避免的会带来一定的腔内损耗，进而影响激光器输出效率和功率。此外，常用的中红外半导体激光器通过电控制方式虽然能实现宽可调谐范围，但其输出功率较低，制约了其应用领域。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于热电制冷的温度调谐型Fe:ZnSe激光器，通过调节Fe:ZnSe晶体运转温度实现可调谐波长输出，无需引入额外的波长调谐器件，具有系统结构简单紧凑、可靠性高、成本低廉等特点，能够实现宽范围的中红外激光输出。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于热电制冷的温度调谐型Fe:ZnSe激光器，包括Fe:ZnSe晶体、泵浦激光源、半导体热电制冷装置、激光谐振腔；所述泵浦激光源发射出泵浦光，并经过泵浦光整形耦合元件后入射至Fe:ZnSe晶体；所述Fe:ZnSe晶体设置于激光谐振腔内；所述Fe:ZnSe晶体固定在热沉上，热沉与半导体热电制冷装置连接；所述Fe:ZnSe晶体、热沉设置于真空腔内。

优选的，所述Fe:ZnSe晶体的泵浦光射入方向上设有凹面输入镜；所述Fe:ZnSe晶体的泵浦光射出方向上设有输出耦合镜；所述凹面输入镜与输出耦合镜之间形成所述激光谐振腔。

优选的，所述的凹面输入镜镀有对泵浦光波段的高透膜，高透膜透过率＞95％，以及激光波段的宽带高反射膜，反射膜反射率>99.8％，平面输出耦合镜镀有对激光波段的宽带部分反射膜，宽带部分反射膜反射率为90％，宽带部分反射膜透过率为10％。

优选的，还包括多个腔镜；各腔镜之间泵浦光振荡形成激光谐振腔。

优选的，所述真空腔设置于真空容器内；所述真空容器上设有两个供激光透过的密封窗口片，窗口片材料为氟化物晶体或倍半氧化物陶瓷；窗口片内外两侧镀有激光波段的防反射膜。

优选的，所述真空腔内真空度为0.1～100Pa。

优选的，所述泵浦光整形耦合元件包括两凸透镜；所述凸透镜一面设为平面；所述凸透镜另一面设为凸面；两凸透镜的凸面相对设置；所述两凸透镜设置于Fe:ZnSe晶体与泵浦激光源之间。

优选的，所述Fe:ZnSe晶体中Fe²⁺的掺杂浓度为1～50×10¹⁸cm^-3。

优选的，所述半导体热电制冷装置通过控制电流与电压调节温度。

优选的，所述泵浦激光源是Er:ZBLAN光纤激光器或Er:Y₂O₃激光器或Er:YAG激光器或DF/HF化学激光器。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明中根据Fe:ZnSe晶体自身荧光寿命与温度强烈的依赖关系，通过半导体热电制冷器件大范围调控激光器中Fe:ZnSe晶体运转温度，从而实现对其不同光谱荧光寿命的有效调控，进而获得不同波长的可调谐中红外激光输出；半导体热电制冷器件温度响应时间快、结构简单紧凑、成本低，十分有利于发展不同应用需求的高性能可调谐中红外光源。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于热电制冷的温度调谐型Fe:ZnSe激光器的结构图；

图中：1为泵浦激光源；2为第一凸透镜；3为第二凸透镜；4为凹面输入镜；5为第一窗口片；6为第二窗口片；7为Fe:ZnSe晶体；8为热沉；9为真空容器；10为输出耦合镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1所示，一种基于热电制冷的温度调谐型Fe:ZnSe激光器，依次设置有泵浦激光源1、泵浦光整形耦合元件、凹面输入镜4、Fe:ZnSe晶体7、输出耦合镜10；所述泵浦激光源1可以是Er:ZBLAN光纤激光器或Er:Y₂O₃激光器，也可以是Er:YAG激光器或DF/HF化学激光器；所述泵浦激光源1发射出泵浦光，并经过泵浦光整形耦合元件后入射至Fe:ZnSe晶体7；所述Fe:ZnSe晶体7为过渡金属掺杂的II～VI族硫化物晶体；所述Fe:ZnSe晶体7中Fe²⁺的掺杂浓度为1～50×10¹⁸cm^-3；为减小损耗，增加晶体对泵浦光的吸收，所述Fe:ZnSe晶体7的两个通光面都镀有增透膜。

所述泵浦光整形耦合元件包括第一凸透镜2、第二凸透镜3，主要作用是对泵浦光进行准直与聚焦，以改变晶体处泵浦光斑模式大小，从而实现更好的模式匹配，使得激光系统在基模下高效运转，获得满足激光振荡的光束。

所述凹面输入镜4与输出耦合镜10之间形成所述激光谐振腔；其中所述的凹面输入镜4镀有对泵浦光波段的高透膜，高透膜透过率＞95％，以及激光波段的宽带高反射膜，反射膜反射率>99.8％，平面输出耦合镜10镀有对激光波段的宽带部分反射膜，宽带部分反射膜反射率为90％，宽带部分反射膜透过率为10％；所述Fe:ZnSe晶体7设置于激光谐振腔内；所述Fe:ZnSe晶体7固定在热沉8上，热沉8与半导体热电制冷装置连接；所述半导体热电制冷装置通过控制电流与电压调节温度，采用半导体热电制冷器件大范围改变Fe:ZnSe晶体7运转温度，实现对其不同光谱荧光寿命的有效调控，从而获得不同波长的可调谐中红外激光输出。

所述Fe:ZnSe晶体7、热沉8设置于真空容器9的真空腔内；所述真空容器9上设有供激光透过的密封第一窗口片5和第二窗口片6，第一窗口片5和第二窗口片6材料为氟化物晶体或倍半氧化物陶瓷；第一窗口片5和第二窗口片6内外两侧镀有中红外3～5μm激光波段的防反射膜；所述真空腔内真空度为0.1～100Pa。

工作原理：本发明利用Fe:ZnSe晶体7自身荧光寿命与温度强烈的依赖关系，采用半导体热电制冷器件大范围改变Fe:ZnSe晶体运转温度，实现对其不同光谱荧光寿命的有效调控，从而获得不同波长的可调谐中红外激光输出；相比于传统利用光栅、棱镜等器件的波长调谐方法，本发明能够实现宽范围、高可靠性的连续可调谐的中红外激光输出，且结构简单，成本低廉。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。