一種降低準三能級或三能級雷射增益介質雷射振蕩閾值方法

2023-07-28 04:05:41 1

專利名稱：一種降低準三能級或三能級雷射增益介質雷射振蕩閾值方法
技術領域：
本發明涉及雷射領域中降低雷射振蕩闊值的實現方法，尤其涉及降低準三 能級或三能級雷射增益介質雷射振蕩閾值的實現方法。
背景技術：
在準三能級或三能級系統中實現雷射輸出一般存在雷射閾值高、效率低、
輸出功率低等特點。我們以Nd:YAG雷射振蕩中946nm的雷射輸出為例。它的譜 線相應能級結構如圖1所示，其中'/為室溫下低能級或高能級上的粒子數分別 佔所在的多重態上總粒子數的比例，由玻耳茲曼分布決定。Nd:YAG作為激活介 質在室溫下輸出946nm波長雷射較困難，這是由於946nm譜線屬於準三能級系 統之間的躍遷4F3/2 — 419/2,低能級存在再吸收的過程，這將導致受激發 射截面下降，約為4x10 -20cm-l,是1064nm波長的1/9，結果946nm譜線的 閾值也大大提高。由於熱效應，電子處於946nm波段躍遷的下能級的電子數布 居較大，這對要實現粒子數反轉增加了一定的難度。同時，由於1064nm波長的 發射係數是946nm譜線發射係數的9倍，必須抑制1064nm譜線，給鍍膜帶來困 難。基於以上幾個方面的原因，獲得946nm波長雷射的室溫運轉是比較困難的。 相同的情形，在其它三能級系統或準三能級系統中，是同樣存在的。 一種常用 方法是降低雷射增益介質的溫度，以此來降低泵浦光閾值，由於超低溫度需要 致冷系統體積十分龐大，4吏用並不方便，並限制了這類雷射器廣泛應用。

發明內容
為解決上述問題，本發明提出一種全新的方法來實現降低泵浦光閾值目的。
本發明採用如下方法實現 '用兩組不同波長雷射器作為泵浦源同時泵浦準三能級或三能級系統中的激 光增益介質，利用第一泵浦源的第一波長光泵浦三能級或三能級雷射增益介質 的基態粒子到激發態，再利用第二泵浦源的第二波長光泵浦三能級或三能級激 光增益介質產生的雷射下能級，從下能級抽運粒子到其他能級以減少產生雷射 的下能級上的粒子數。
當然的，可以用 一個雙波長泵浦源的第 一波長光代替第 一泵浦源的第 一波 長光，其第二波長光代替第二泵浦源的第二波長光。
利用本方法的，第二波長光泵浦雷射增益介質從產生雷射的下能級抽運粒
子到另一雷射態時，若另一雷射態亦存在產生雷射的四能級或三能級的能級系 統，則可產生雙基波長輸出。
利用本方法可以製作產生基波的雷射器，亦可用於製作腔內倍頻光輸出的 雷射器。
因此，本發明區別於常規的通過降低雷射增益介質的溫度來降低泵浦光閾 值，而是通過雙波長的泵浦光來實現。所以解決了常規中的超低溫度需要體積 十分龐大的致冷系統，使用並不方便，限制了這類雷射器廣泛應用的技術難題。


結合

對本發明進一步說明。
圖1 Nd:YAG雷射:^普線相應能級結構示意圖； 圖2準三能級躍遷示意圖； 圖3三能級i 夭遷示意圖。
具體實施例方式
對於三能級或準三能級系統，增益介質中增益離子由於處於晶格環境，能 級受到磁場影響會產生stark分裂，產生多重能態分部。如圖2表示準三能級 系統的原理示意圖，其中，躍遷下能級和最低能級是有基態能級stark分裂所 產生的兩個能級。第一波長光入l將粒子從基態能級泵浦到激發態1,粒子再快 速無輻射躍遷到激發態2，再產生雷射入躍遷到躍遷下能級上，由於此能級和最 低能級的能量非常接近，粒子在此能級上滯留的時間較長，不容易馳豫到最低 能級上，從而，在此能級上都得粒子容易發生自吸收等現象，要實現此躍遷的 粒子數反轉困難，通常要產生入波段躍遷雷射閾值較高，效率低。
如圖2所示，本方法的原理是，利用第二波長光入2將粒子從躍遷下能級抽 運到激發態3能級上(在圖2中，激發態3能級和激發態2能級可以重合也可 以不重合)，從而大大降低躍遷下能級上的粒子數，同時亦使雷射態2能級下來 粒子數不易堆積，從而使雷射態2到躍遷下能級的粒子更易反轉，從而P爭低總 的雷射振蕩總闊值和提高雷射轉化效率。
如圖3所示，是三能級系統，直接利用第一波長光入l將粒子泵浦到激發態 2能級上，粒子直接躍遷到躍遷下能級，發射入波長螢光。這時，再利用第二波 長光X2的泵浦光將粒子從躍遷下能級抽運到激發態3能級上，以達到降低總的 雷射振蕩總閾值和提高雷射轉化效率，這時激發態2和激發態3能級是不重合 的。
本發明通過準三能級或三能級系統從基態和下能級用二個不同波長雷射器
同時泵浦，從而減少雷射下能級粒子數，使整個雷射器更易實現雷射振蕩，降 低雷射振蕩閾值和提高泵浦光轉化效率。
本發明是利用兩個不同波長雷射器產生的第一波長光和第二波長光泵浦。 當然的，可以只用 一個雙波長泵浦源的第 一波長光代替第 一泵浦源的第 一波長 光，其第二波長光代替第二泵浦源的第二波長光。其方法原理是一樣的。
在雷射增益介質中，存在相當多的準三能級雷射系統和三能級系統，如Nd: YV04的輸出波長914nm，為典型準三能級系統，它由4F3/2 — 419/2之間躍遷， 產生914nm的雷射下能級是基態的Stark分裂子能級，晶格分裂數值為433cm-l, 這能級數比較小，因此在室溫下雷射下能級仍有粒子數，增加了雷射的閾值。 平時採用808nm作為從基態泵浦到4F5/2上，即從圖2中基態泵浦到激發態2 能級上，若同時836nm波長雷射從下能級泵浦，將使下能級的電子從躍遷下能 級泵浦到激發態1能級上，則可降低總的雷射泵浦閾值。同樣對Nd: YAG中946nm 輸出波長亦是類似準三能級系統，從而類似方法處理的降低閾值和提高轉化效 率
對Er3+， Ho3+等稀土離子，餌系離子，過渡金屬離子等離子構成雷射增益 介質，均存在有準三能級系統和三能級系統，4艮多準三能級系統和三能級雷射 閾值很高，有的可以在室溫下工作，有的則必須在低溫或超低溫時才能獲得激 光輸出。如Yb: YAG雷射器作為準三能級系統需工作在(TC以下工作。
採用本發明雙波長泵浦系統原理上可以使更多準三能級系統或三能級系統 可以在常溫下工作並且獲得更低雷射閾值，因而有一定較好實用價值和應用。
本發明中若激發態3亦存在產生雷射的四能級或三能級系統，本發明可以 成為雙波長輸出雷射器，本發明可廣泛應用到產生基波雷射器中，亦可用於腔 內倍頻雷射器中。
權利要求
1、一種降低準三能級或三能級雷射增益介質雷射振蕩閾值的方法，其特徵在於用兩組不同波長雷射器作為泵浦源同時泵浦準三能級或三能級系統中的雷射增益介質，利用第一泵浦源的第一波長光泵浦三能級或三能級雷射增益介質的基態粒子到激發態，再利用第二泵浦源的第二波長光泵浦三能級或三能級雷射增益介質產生的雷射下能級，從下能級抽運粒子到其他能級以減少產生雷射的下能級上的粒子數。
2、 如權利要求1所述的降低準三能級或三能級雷射增益介質雷射振蕩闊值 的方法，其特徵在於可以用一個雙波長泵浦源的第一波長光代替第一泵浦源 的第一波長光，其第二波長光代替第二泵浦源的第二波長光。'
3、如權利要求1或2所述的降低準三能級或三能級雷射增益介質雷射振蕩 閾值的方法，其特徵在於第二波長光泵浦雷射增益介質從產生雷射的下能級 抽運粒子到另 一雷射態時，若另 一雷射態亦存在產生雷射的四能級或三能級的 能級系統，則可產生雙基波長輸出。
4、如權利要求1所述的降低準三能級或三能級雷射增益介質雷射振蕩闊值 的方法，其特徵在於利用本方法可以製作產生基波的雷射器，亦可用於製作 腔內倍頻光輸出的雷射器。
全文摘要
本發明涉及雷射領域中降低雷射振蕩閾值的實現方法，尤其涉及降低準三能級或三能級雷射增益介質雷射振蕩閾值的實現方法。本發明提出兩組不同波長雷射器作為泵浦源同時泵浦準三能級或三能級雷射增益介質，一個波長作為正常泵浦源泵浦基態粒子到激發態；另一個泵浦光再激發並減少接近基態的產生雷射的下能級上粒子數，從而降低另一波長作為泵浦源的閾值並提高雷射器的效率。故，本發明的方法從本質上解決了常用方法通過降低雷射增益介質的溫度來降低泵浦光閾值，其的超低溫度需要體積十分龐大致冷系統，使用並不方便的技術難題。
文檔編號H01S3/0941GK101350493SQ20081007169
公開日2009年1月21日 申請日期2008年8月28日 優先權日2008年8月28日
發明者凌吉武, 盧秀愛, 礪 吳, 英 邱 申請人:福州高意通訊有限公司