一种线偏振Ho激光器
阅读说明：本技术 一种线偏振Ho激光器 (Linear polarization Ho laser ) 是由 黄海洲 林文雄 邓晶 李锦辉 葛燕 黄见洪 于 2020-05-20 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种激光器,包括：谐振腔、板条增益介质和泵浦源,所述泵浦源产生泵浦光耦合所述板条增益介质,所述板条增益介质设置于所述谐振腔内；所述板条增益介质与激光传输方向垂直的任一截面的长宽比大于2；所述板条增益介质包括复合的掺铥部分和掺钬部分；所述泵浦光泵浦所述掺铥部分产生禁锢在所述谐振腔内的铥激光,所述铥激光同带泵浦所述掺钬部分,输出2.1μm波段的所述钬激光,该激光器结构简单,能直接产生高功率的线偏振2.1μm波段Ho激光。(The application discloses laser instrument includes: the slab gain medium comprises a resonant cavity, a slab gain medium and a pumping source, wherein the pumping source generates pumping light to be coupled with the slab gain medium, and the slab gain medium is arranged in the resonant cavity; the aspect ratio of any section of the slab gain medium perpendicular to the laser transmission direction is larger than 2; the slab gain medium comprises a thulium-doped part and a holmium-doped part which are compounded; the pump optical pumping mixes the thulium part and produces and is confined thulium laser in the resonant cavity, thulium laser is with the band pump mix the holmium part, output 2.1 mu m wave band the holmium laser, this laser structure is simple, can directly produce the linear polarization 2.1 mu m wave band Ho laser of high power.)
技术领域
本申请涉及一种的线偏振Ho激光器，属于固体激光领域。
背景技术
全固态钬(Ho)激光器常用实现方式包括：砷化镓铝激光半导体(LD)(波长范围750nm～810nm)泵浦铥(Tm)离子敏化的Tm、Ho共掺激光器；1.9μm激光泵浦单掺杂钬激光器；铥激光器腔内共振泵浦钬激光器，以及Tm/Ho键合激光器。
由于Ho离子在800nm波段附近没有吸收带，无法利用高度成熟的砷化镓铝LD，传统上需要将Ho离子和Tm离子共同掺杂在同一增益介质中来实现Ho激光输出。但这类激光器存在严重的合作上转换损耗，在室温下只有数毫瓦的激光输出，甚至不出光。
1.9μm激光泵浦Ho激光器是目前最主流的高功率Ho激光实现方式。1.9μm泵浦源可以是掺Tm光纤激光器、掺Tm全固态激光器以及1.9μm半导体激光器。采用1.9μm掺铥全固态或光纤激光器来实现Ho激光输出是一种级联泵浦结构：即砷化镓铝LD泵浦Tm激光器谐振腔内的掺Tm增益介质产生1.9μm激光，再同带泵浦Ho激光器谐振腔内掺Ho增益介质。其中所用1.9微米泵浦源本身也是激光器，需要高功率800nm半导体进行泵浦，然后再通过数台1.9微米激光器才能实现高功率的Ho激光输出，使得整个Ho激光器系统结构复杂，体积庞大，造价昂贵，且LD到最终Ho激光输出的光光转换效率低下。
1.9μmLD泵浦钬激光器的虽然结构更加紧凑，目前可以实现30％～40％的光光转换效率。但是，1.9μmLD的激光器中所用单个巴条价格比传统砷化镓铝LD的价格高一个数量级；发射谱宽达15nm，不利于匹配掺Ho增益介质的吸收峰(3～5nm宽)。
Tm/Ho键合激光器建立在腔内泵浦Ho激光器的基础上，将掺Tm和掺Ho增益介质键合为同一块增益介质，能够在常规砷化镓铝LD的泵浦下高效地实现Ho激光输出，并比腔内泵浦Ho激光器更加紧凑、便捷。但由于目前的Tm/Ho键合增益介质为棒状结构(通光面为正方形或圆形)，无法有效控制增益介质内部的热效应，导致激光输出功率低于10W，无法得到进一步提升。此外，现有的Tm/Ho键合激光器采用具有各向同性的YAG晶体，无法直接实现线偏振激光输出，制约了在非线性频率变换，材料加工，激光雷达等诸多应用领域上的实用性。因此，急需发展一种能够在常规LD泵浦下实现高功率线偏振Ho输出的新型激光器。
发明内容
本申请提供了一种可实现高功率激光输出的线偏振Ho激光器，该激光器以键合的掺铥增益介质和掺钬增益介质为板条增益介质，激光工作物质为具有自然双折射特性的单轴或双轴晶体，可以在常规半导体激光器LD泵浦的紧凑结构上实现2.1μm波段Ho激光的线偏振和高功率输出。
一种线偏振Ho激光器，包括：谐振腔、板条增益介质和泵浦源，所述泵浦源产生泵浦光整形后耦合所述板条增益介质，所述板条增益介质设置于所述谐振腔内；
所述板条增益介质与激光传输方向垂直的任一截面的长宽比大于2；
所述板条增益介质包括复合的掺铥部分和掺钬部分；
所述激光器输出2.1μm波段的线偏振钬激光。
可选地，所述板条增益介质包括第一掺铥部分和第一掺钬部分，所述第一掺铥部分和第一掺钬部分沿所述激光传输方向依次复合排列。
可选地，所述板条增益介质包括第一掺铥部分、第一掺钬部分和第二掺铥部分；
所述第一掺铥部分、第一掺钬部分、第二掺铥部分沿所述激光传输方向依次复合排列。
可选地，所述板条增益介质还包括：无掺杂部分；
所述无掺杂部分复合于所述掺铥部分的远离所述掺钬部分的端面。
可选地，所述板条增益介质包括第一无掺杂部分、第一掺铥部分和第一掺钬部分；所述第一无掺杂部分、第一掺铥部分和第一掺钬部分沿所述激光传输方向依次复合排列。
可选地，所述板条增益介质包括第一无掺杂部分、第一掺铥部分、第一掺钬部分、第二掺铥部分和第二无掺杂部分；
所述第一无掺杂部分、第一掺铥部分、第一掺钬部分、第二掺铥部分和第二无掺杂部分沿所述激光传输方向依次复合排列。
可选地，所述掺铥部分为铥掺杂激光增益介质；所述掺钬部分为钬掺杂激光增益介质；所述激光增益介质为同种激光增益材料。
可选地，激光增益介质的工作物质为具有自然双折射特性的单轴晶体，或者具有自然双折射特性的双轴晶体。
可选地，所述板条增益介质平行X轴向的两相对面上分别镀有倏逝波保护层。
可选地，所述泵浦光为800nm波段泵浦激光。
可选地，所述激光器还包括：热管理部；
所述热管理部包括：热沉主体和多个水嘴；
所述板条增益介质沿所述热沉主体的横向夹设于所述热沉主体中；
所述水嘴分设于所述热沉主体上并与所述热沉主体内的微通路连通，冷却液在所述微通路内流动。
可选地，所述泵浦光整形后光斑垂直X轴的截面的长宽比大于或等于所述板条增益介质通光面的长宽比；
其中，所述X轴的方向为所述激光传输方向；
所述板条增益介质通光面为所述板条增益介质与激光传输方向垂直的任一截面。
可选地，所述谐振腔的腔镜垂直于激光传输方向，形成直线腔。
可选地，所述谐振腔的腔镜平行于激光传输方向，形成折叠腔。
本申请中，“长宽比”，是指板条增益介质纵截面的长边与短边之比。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的激光器，包括：铥/钬复合板条增益介质、泵浦源和腔镜，板条增益介质至少包括：掺铥和掺钬部分，板条增益介质的长宽比大于等于2。泵浦光从板条增益介质端面入射到其内部，板条增益介质中的掺铥部分充分吸收泵浦光后形成铥离子的粒子数反转，并在谐振腔镜的作用下产生被禁锢在谐振腔内，能同带泵浦掺钬部分的铥激光。在铥激光的同带泵浦下，利用增益介质的自然双折射特性，实现2.1μm波段钬激光的线偏振输出。
2)本申请所提供的激光器，相对于现有通光面为正方形或圆形的棒状结构Tm/Ho键合增益介质，将掺Tm和掺Ho增益介质键合为板条结构，板条增益介质的长宽比大于等于2，能有效控制增益介质内部热效应，避免激光光束质量随泵浦功率的增加而严重恶化，在常规高功率半导体的泵浦下即可实现高光束质量(波长为2129.0～2130.0nm)、高功率(17～18W)室温下线偏振Ho激光输出。
3)相对于采用光纤耦合半导体进行端面泵浦的常规方式，Tm/Ho键合激光器聚焦泵浦入射光斑为圆光斑的泵浦方式，本申请提供激光器的一种实现方式将泵浦斑光整形为长宽比大于或等于复合板条增益介质端面长宽比的矩形或线光斑，提高增益介质可承受的最大泵浦功率，进而实现高功率Ho激光的输出。
4)本申请所提供的激光器，相对于现有高功率钬激光实现方式，本申请提供钬激光实现方式更为便捷，实现成本更为经济，无需液氮冷却即可实现高功率激光输出；降低1.9μm铥激光泵浦源的使用成本、简化结构；解决了现有1.9μmLD的高成本，泵浦波长不匹配以及泵浦能量泄露浪费等问题。
附图说明
图1为本申请一种实施方式中激光器的结构示意图；此图中X轴平行于板条增益介质的长(即激光传输方向)；Y轴平行于板条增益介质宽；Z轴平行于板条增益介质的高；
图2是本发明提出的钬激光器包括的板条增益介质和热沉铜块的示意图；
图3是本发明提出钬激光器的实验中，不同输入电流所对应的钬激光输出功率变化曲线的实验效果图；
图4是本发明提出的钬激光器的实验中，激光输出功率在17W附近的激光输出光谱效果图；
图5为本申请一种实施方式中泵浦光束整形所用光学系统；a)为主视示意图；b)为俯视示意图；
图6为本申请一种实施方式中谐振腔型结构及泵浦方式光路连接示意图；
图7为本申请又一种实施方式中谐振腔型结构及泵浦方式光路连接示意图。
部件和附图标记列表：
附图标记
部件名称
附图标记
部件名称
1
半导体泵浦源
51
无掺杂部分
11,12
半导体泵浦光
52
掺Tm部分
2
半导体耦合光纤
53
掺Ho部分
3
光学整形系统
54
热沉主体
31,32,33
柱面镜
6
腔镜
4
腔镜
7
光谱滤波镜
5
板条增益介质模块
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
参见图1，本申请提供的激光器，包括：谐振腔、板条增益介质和泵浦源，所述泵浦源产生泵浦光耦合所述板条增益介质，所述板条增益介质设置于所述谐振腔内；所述板条增益介质为具有自然双折射特性的单轴或双轴晶体，任一垂直X轴向截面的长宽比大于2；所述板条增益介质包括复合的掺铥部分和掺钬部分；
泵浦源泵浦掺铥部分产生禁锢在所述谐振腔内的铥激光，所述铥激光同带泵浦所述掺钬部分，输出2.1μm波段的所述线偏振钬激光。
所述掺铥部分吸收泵浦光后形成铥离子的粒子数反转产生铥激光，所述铥激光同带泵浦所述掺钬部分输出2.1μm波段钬激光。采用该长宽比的板条增益介质能实现2.1微米波段线偏振Ho激光的高功率输出，与长宽比为1的棒状增益介质相比，板条增益介质的功率放大能力与长宽比的平方成正比。
可选地，所述泵浦光为800nm波段泵浦激光。现有技术中无法直接使用800nm泵浦光实现高功率Ho激光的输出，该激光器直接采用800nm泵浦源对摻Tm部进行泵浦，避免使用1.9μm激光作为泵浦源，简化激光器结构。
可选地，所述泵浦源为光纤耦合半导体激光器，通过光学整形系统，形成与谐振腔内铥激光模式匹配的圆形泵浦光斑，对增益介质的掺铥部分进行泵浦。
可选地，泵浦源无需通过光纤耦合输出，而是通过高功率半导体叠阵，经由柱面镜组成的光学整形系统，将泵浦光整形为与板条长宽比相当的线光斑，对掺铥部分进行泵浦，可进一步提高增益介质可承受的泵浦功率，实现更高的线偏振Ho激光输出功率。
在一个示例中，所述板条增益介质包括：第一掺铥部分、第二掺铥部分和第一掺钬部分，所述第一掺铥部分和第二掺铥部分分别复合于所述板条增益介质的第一掺钬部分。
在另一个示例中，所述板条增益介质包括：第一无掺杂部分、第一掺铥部分和第一掺钬部分，第一无掺杂部分和第一掺铥部分分别与第一掺钬部分的两相对端面复合，即沿着激光传输方向，依次为第一无掺杂部分、第一掺铥部分和第一掺钬部分。
可选地，所述掺铥部分为铥掺杂激光增益介质；所述掺钬部分为钬掺杂激光增益介质；所述激光增益介质为可实现线偏振激光输出的同种激光晶体。
可选地，还包括：热管理部，所述热管理部包括：热沉主体和多个水嘴，所述板条增益介质沿所述热沉主体的横向夹设于所述热沉主体中；所述水嘴分设于所述热沉主体上并与所述热沉主体内的微通路连通，冷却液在所述微通路内流动。热管理模块用于冷却板条增益介质。
可选地，所述泵浦光整形后光斑垂直X轴的截面的长宽比大于或等于所述板条增益介质通光面的长宽比；
其中，所述X轴的方向为所述激光传输方向；
所述板条增益介质通光面为所述板条增益介质与激光传输方向垂直的任一截面。
可选地，所述谐振腔包括输出腔镜，所述输出腔镜上镀设膜层对铥激光的反射率大于等于99％且对钬激光透过率大于等于99％。
可选地，所述整形光学系统的入光端与所述泵浦源光路连接，即泵浦光射入整形光学系统，整形光学系统的出光端与所述板条增益介质光路连接。通过整形光学系统将泵浦光整形为所需形状，有利于提高功率。该整形光学系统可以为各类现有光学器件，根据整形要求组合后得到。
实施例1
如图1所示，本申请提供的一种线偏振Ho激光激光器，包括：Tm/Ho复合键合的板条增益介质5、腔镜4、腔镜6和泵浦源1。板条增益介质5包括无掺杂部分51、掺铥部分52、以及掺钬部分53，并在两个最大表面上镀有倏逝波保护层。如图2所示，板条增益介质5的中间部分设置掺Ho部分53，掺钬部分53的两相对端面上分别复合设置无掺杂部分51和掺铥部分52。各部分作为整体均具有板条结构。
泵浦光11分别由泵浦源1发出，从板条增益介质5的无掺杂部分51入射到板条内部。泵浦光被掺铥部分52均匀吸收，形成Tm离子的粒子数反转，并在谐振腔镜4和6的作用下产生被禁锢在腔内的Tm激光。Tm激光在板条增益介质5内部多次往返，对掺钬部分53进行均匀泵浦，形成线偏振Ho激光输出。
与现有Tm/Ho复合增益介质的本质区别，一方面在于板条增益介质的长宽比大于或者远大于现有的棒状Tm/Ho复合增益介质(通光面为圆形或正方形)，提高了Ho激光的输出功率；另一方面在于现有的复合增益介质采用具有各向同性的YAG晶体，无法直接实现线偏振Ho激光输出。
如图2所示，板条增益介质5包括无掺杂部分51，掺Tm部分52与掺Ho部分53。所采用的复合技术可以是胶合技术或扩散键合技术等。利用增益介质复合技术，可以自由选择或排列无掺杂部分51，掺铥部分52与掺钬部分53，达到提升激光系统性能，缓解激光器热效应的效果。例如，在掺铥部分52的前端面键合无掺杂部分51，能够缓解增益介质在高功率泵浦下的热应力，提升激光系统所能承受的泵浦功率，最终提高线偏振Ho激光的输出功率。
掺铥部分52可以为能够产生线偏振Tm激光输出的任意一种具有自然双折射特性的激光晶体，如Tm:YLF，Tm:LuLiF，Tm:YAP，Tm:YAB，Tm:KGW，Tm:GdVO4和Tm:YVO4等，Tm离子掺杂浓度在2～7a.t.％之间，并且长宽比大于2。掺Ho部分13可以为能够产生线偏振Ho激光输出的任意一种具有自然双折射特性的激光晶体，如Ho:YLF，Ho:LuLiF，Ho:YAP，Ho:KGW，Ho:YAB，Ho:GdVO4和Ho:YVO4等，Ho离子掺杂浓度在0.2at.％～1.5at.％之间，并且长宽比大于2。
参见图2，本申请所采用热管理部包括：热沉主体54，板条增益介质5沿热沉主体54的横向插设于热沉主体54中。以长方形的板条增益介质5为例，长方形包括长、宽、高三个尺度，板条增益介质5的具体尺寸为长宽高19mm*6mm*1.5mm。
热沉主体54的内部根据需要设计有可流通冷却液的微通道(图中未示出)。微通道与外部水嘴连通。外部水嘴与及控温水箱连通。水箱中的水流入热沉主体54中对板条增益介质5进行温控。根据需要，将控温水箱中冷却水温度控制在5～30℃范围内，具体数值可根据需要选择。
在具体实施中，通过垂直于板条增益介质5厚度方向的增益介质表面与热沉模块54的接触来实现热管理。为减小板条增益介质5与热沉主体54之间的热阻，在板条增益介质5与热沉主体54相接触的两相对表面上设置热传导层，改层由导热性良好的金属构成，比如铟或金。
本申请所用泵浦源出射激光波段范围在760～820nm之间，具体的输出波长由掺铥部分的吸收特性，本领域技术人员可根据所用增益介质的材料而定，例如，针对Tm:YLF和Tm:LuLiF晶体，泵浦源的输出波长可以为792nm；针对YAP晶体，泵浦源的输出波长可以为795nm；也可以为781nm或808nm等远离掺Tm部分52的波段，以进行侧瓣泵浦等。针对YAP晶体，本实施例使用的泵浦波长为792nm。
泵浦源可以为光纤耦合的高功率半导体激光器，也可以为由LD巴条集成的高功率LD叠阵。本实施例采用高功率光纤耦合LD作为泵浦源。
参见图1，泵浦源出射激光经光学系统3进行整形，以实现将LD泵浦光整形为与谐振腔内Tm激光模式相匹配的圆形聚焦光斑，通过无掺杂部分51对掺铥部分52进行泵浦。最终实现17.2W(参见图3)的2129.54nm(参见图4)线偏振Ho激光输出，激光偏振方向平行于YAP晶体的b轴，偏振消光比大于17.2dB。这一输出功率高出目前Tm/Ho键合激光器最高输出功率(5.96W)近3倍，输出波长在现有Tm/Ho键合激光器2122nm激光波长的基础上进一步红移到2130nm，能够更好地远离重要中远红非线性晶体ZGP的截止吸收带，实现高效率的中远红外激光输出；更重要的，实现了所报道Tm/Ho键合激光器所无法达到的偏振Ho激光输出，更能满足工业信息领域如中远红外激光输出或高分子材料加工等方面对激光偏振特性的需求。
相对现有的光纤耦合端面泵浦方式，采用LD叠阵进行直接泵浦的方式无需通过空间光路将叠阵产生的泵浦光耦合进光纤，再通过光纤进行泵浦，因此结构更为紧凑，使用更为经济、便捷，而且能够获得光纤耦合半导体激光所难以达到的百瓦级泵浦功率。
参见图5a)～b)，泵浦源出射激光采用包括柱面镜31、柱面镜32、柱面镜33所组成的光学系统进行整形，柱面镜31、柱面镜32、柱面镜33均为常用的柱面镜，柱面镜31和柱面镜33的焦距为45-55mm，柱面镜32的焦距为70-80mm，柱面镜31和柱面镜33是再现叠阵慢轴方向的发光长度，32是汇聚快轴方向的泵浦光，最终在板条增益介质5端面形成与大于板条长宽比的线形泵浦光斑(即实现将LD叠阵泵浦光11整形为长宽比接近或大于板条增益介质5泵浦端面长宽比的线光源)，增加板条可承受的泵浦功率，实现更大功率输出。
实施例2
本发明的另一种腔型结构及泵浦方式如图6所示，通过柱面镜整形系统将高功率半导体叠阵泵浦光整形为线光斑，分别从板条的两端注入浦光11,12的具有高反特性的膜层，可以将泵浦光11,12耦合进板条内部，分别对掺钬部分51两端的掺铥部分52进行泵浦。在腔镜4，6所形成的谐振腔中，实现Ho激光的振荡输出。腔镜4和6所组成的谐振腔结构可以为平平腔、平凹腔或凹凸腔等任意一种可以实现固态激光器输出的稳定腔结构。
请继续参考图6，谐振腔的腔镜4、6垂直于激光传输方向，形成直线腔。通过在板条增益介质的两个端面镀上对特定入射角度泵浦光11和12具有高透特性的膜层(入射方向与谐振腔轴方向成5～65°)，可以将泵浦光耦合进板条内部，泵浦光11，12分别从板条增益介质5的两相对入光端面入射泵浦掺Tm部分52，在腔镜4和腔镜6的作用下产生高功率线偏振Ho激光输出。腔镜4和6所组成的谐振腔结构可以为平平腔、平凹腔或凹凸腔等任意一种可以实现固态激光器输出的稳定腔结构。
实施例3
本申请的另一种腔型结构及泵浦方式如图7所示，谐振腔的腔镜4、6平行于激光传输方向，形成折叠腔。该激光器包括：正对板条增益介质5入光端面并出射光垂直入光端面设置的泵浦光11、12，两侧对称设置，仅描述一侧，另一侧相同。泵浦光11，12透过光谱滤波镜7泵浦进入板条增益介质5中，同时光谱滤波镜7也发挥折转出射激光的作用，该谐振腔结构可以用于除直线腔外的折叠腔实现。所用腔镜4,6,7均对Tm激光有反射作用，避免Tm激光泄露。
如同输出功率在万瓦级的Yb激光器或千万级Nd激光，借助板条结构优异的热管理能力，从而能够在常规光纤耦合LD所无法达到的LD叠阵泵浦功率下，从Tm/Ho键合板条结构上实现百瓦级的线偏振Ho激光输出。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。