[发明专利]阈值减小的激光装置

说明书

本发明涉及激光装置。其特别有利地应用在、但不限于有效的三能级跃迁泵浦中，低跃迁能级对应于基态。

通常，三能级激光器为激光跃迁的低能级是基态的激光器。仅在半数以上的离子处于激发态时，介质才会放大。

达到该激发能级所必要的局部泵浦功率为

P＝hv_pA_p/σ_apτ

其中hv_p是泵浦光子的能量，A_p是泵浦的横向范围面积，σ_ap是泵浦的有效吸收截面且τ是激发态的寿命。单发射二极管聚焦在几10^-8m²的区域上，其对于多数基质材料中多数的三价形式的稀土元素，产生量级从几W到几十W的P值。通常，激光阈值大于P。这就说明了为什么很少生产出二极管泵浦的三能级激光器。

事实更复杂一点，因为关于能量，能级通常是多重的且略微分开。次能级中的每一个都是热布居的(populated)且通常处于玻尔兹曼平衡。有效截面为绝对有效截面乘以次能级的相关粒子数。因而有效的发射和吸收截面不同，σ_a≠σ_e。当跃迁的低能级为高能次能级时，σ_a＜＜σ_e，并且激光器操作接近四能级激光器的操作。这样的情况例如是Nd:YAG(⁴F_3/2→⁴I_9/2)的946nm跃迁。另一方面，还没有这样的实验是公知的，即，其例如演示与能级⁴I_9/2的基态次能级相对应的约875nm的发射，该跃迁与三能级激光器相对应。

具体地，三价镱(Yb)具有两个能级。基态能级²F_7/2具有四个次能级。激发能级⁴F^5/2具有三个次能级。通常，最大的有效吸收截面与最低的两个次能级之间的跃迁相对应。该跃迁是三能级激光器的跃迁，并且因而不能用于泵浦该相同的三能级激光器。这意味着σ_ap较低且激光阈值因此不可避免地较高。这就是很少有实验已经演示出例如三能级Yb激光器的操作的原因。

作为示例，只有两个显著的实验已经演示了基于镱的三能级跃迁的激光器。

第一个实验涉及掺镱光纤激光器，其由在915nm发射18W的二极管泵浦。这是977nm的、输出功率超过1W的唯一的激光器。这种激光器在以下公开中描述：“A 3.5-W 977-nm cladding-pumpedjacketed air-clad Ytterbium-doped fiber laser”，K.H.Yla-Jarkko，R.Selvas，D.B.S.Soh，J.K.Sahu，CA.Codemard，J.Nilsson，S：U.Alam，and A.B.Grudinin.In，Zayhowski，JJ.(ed.)Advanced Solid-StatePhotonics 2003.Washington DC，USA，Optical Society of AmericaTrends in Optics and Photonics Series(OSA TOPS Vol 83)。

在该文献中，阈值的减小通过光纤的引导结构和高亮度二极管来实现，可使泵浦面积A减小的倍数大于10。然而，这种光纤激光器中的泵浦注入系数并不好。这种激光器的工业生产将需要保偏光纤。最后，小于10W的激光功率例如不能使传统的非线性晶体具有较好的倍频效率，并且泵浦与蓝光发射(488nm)之间的转换产量较低。

第二个实验涉及在985nm发出250mW的Yb:S-FAP激光器。该激光器在以下文章中描述″Efficient laser operation of an Yb:S-FAPcrystal at 985nm″，S.Yiou，F.Balembois，K.Schaffers and P.Georges，Appl.Opt.42，4883-4886(2003)。该激光器由在900nm发射1.45W的Ti:sapphire(蓝宝石)激光器泵浦。

阈值的减小通过选择使产品的σ_apτ最大的材料(S-FAP)以及通过激光泵浦来实现，该激光泵浦可使泵浦面积A至少减小10倍。