[发明专利]一种产生2微米波段单波长稳定激光输出的方法及激光器装置

说明书

本发明涉及一种产生2微米波段单波长稳定激光输出的方法及激光器装置。能够在不改变其他器件参数的情况下，仅通过调整晶体掺Tm浓度、晶体长度以及输出镜透过率三者的参数取值，即可获得2微米波段单波长稳定激光输出，从而有效规避了现有技术中对各类器件参数的盲目调整。并且本发明的功率升级方法简单，可便利地获得大功率激光输出。

技术领域

本发明涉及固体激光器技术领域，具体而言，涉及一种产生2微米波段单波长稳定大功率激光输出的方法及激光器装置。

背景技术

2微米波段处于大气传输窗口，且人眼安全，同时波段内存在丰富的水分子吸收峰、二氧化碳温室气体吸收峰，在激光雷达、激光医疗等领域具有广泛应用前景。获得2微米激光的方式主要有三种，一种是基于非线性效应的方式，采用技术和工艺较为成熟的1微米波段激光作为基频光，与非线性晶体作用产生2微米波段激光输出，此方案优点是器件和技术成熟，缺点是转化效率较低；第二种是基于半导体激光器技术方案直接输出2微米波段激光，优点是方案简单，缺点是转化效率低、光束质量差；第三种是泵浦掺铥、掺钬或铥钬共掺增益介质获得2微米波段激光，优点是输出功率高、光束质量好，缺点是结构复杂、器件和技术成熟度相对较低。

由于掺铥增益介质的吸收谱段位于800纳米附近，成熟的商业半导体激光器能够辐射800纳米附近的激光。因此，采用技术较为成熟的800纳米附近的商业半导体激光器泵浦掺铥增益介质，是获得高功率2微米波段激光输出的有效技术途径，其中常用的掺铥增益介质包括铥光纤、Tm:YAG、Tm:YLF等。采用类似方案的还有铥钬共掺的增益介质，相较于掺铥增益介质，800纳米附近半导体激光器泵浦铥钬共掺增益介质的热效应更加严重，很难实现大功率连续运转，适合低重复频率状态下脉冲运转，而且光光转化效率不高。对于掺钬增益介质来说，普遍在1.9微米附近存在吸收谱，可以采用1.9微米波段的半导体激光器或掺铥激光器作为泵浦源，该方案的优点是能够实现更长波段激光输出(2.04微米以上)，且输出激光光束质量好，在连续模式下能够实现高功率，在脉冲模式下能够兼顾高重复频率和大脉冲能量，缺点是首先要获得1.9微米波段的泵浦源激光器，一方面1.9微米波段的半导体激光器输出功率低、效率低，而通过半导体泵浦掺铥增益介质获得满足泵浦需求、大功率的1.9微米波段激光同样具有较大难度。

获得满足应用需求的半导体泵浦掺铥激光器主要有三个难点：一是大功率激光稳定输出，二是波长选择和波长稳定，三是简化结构、高转化效率。具体来说，掺铥增益介质存在较强的热效应，晶体内部温度升高会影响激光器效率，还会产生更强的热透镜效应，导致激光器模式匹配变差，影响激光器综合品质，而且Tm:YLF晶体本身易断裂。因此，高效热管理机制是实现高品质半导体激光器泵浦掺铥激光器的核心技术之一。掺铥增益介质的发射光谱相对较宽，以Tm:YLF晶体为例，半导体激光器泵浦Tm:YLF激光器的发射波长能够在几十个纳米范围内实现可调，宽调谐在多种应用中有广泛的前景。但同时半导体激光器泵浦掺铥激光器的宽调谐特性也会导致不利状况发生，如果没有良好的波长选择机制，自由运转的掺铥激光器在高功率泵浦下会同时激发多个激光波长，由于增益相近，多个波长会形成竞争，从而导致输出功率有较大幅度起伏。而且，如果输出激光波长恰好落在水分子吸收峰上，空气中的水分子吸收会进一步导致输出功率抖动加强，更有甚的是强水吸收会导致腔内光学器件损伤。

相对而言，半导体激光器泵浦Tm:YLF激光器具有增益高、激发光谱范围内存在多个掺钬增益介质的吸收谱段适合作为掺钬激光器的泵浦源(能够辐射1908纳米和1890纳米附近的激光，对应Ho:YAG、Ho:YLF和Ho:LLF等常用的掺钬激光增益介质的吸收谱)、激发光谱范围内存在大量水吸收波段适合激光医疗使用，而且非各向同性的YLF基质不同轴向的光学、热学特征会产生差异化的激光输出特征，因此大功率半导体激光器泵浦Tm:YLF激光器具有重要的研究价值和应用价值，如何获得大功率稳定的波长可选激光是关键。