雙穩區寬度可調的光學雙穩Tm,Ho:YLF雷射器的製作方法
2023-05-11 01:18:36
專利名稱：雙穩區寬度可調的光學雙穩Tm,Ho:YLF雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種雷射技術領域的器件，具體是一種雷射二極體端面泵浦雙穩區寬度可調的光學雙穩Tm,Ho:YLF雷射器。
(二)
背景技術：
光學雙穩態是在雷射產生15年後發現的一種新的非線性光學現象。雷射雙穩態是指在同一泵浦功率下對應兩個穩定的輸出功率，取哪個輸出功率取決於泵浦功率到達相應點的方式(是增加到該值，還是減小到該值)。雷射光學雙穩在光學邏輯器件、光開關、光通信和光學存儲等領域有著重要應用。產生雷射雙穩態的方法一般為在雷射諧振腔內除了要有增益介質外，還要另外加入色散介質或可飽和吸收體，導致雷射器的結構複雜，且雷射器的雙穩區寬度難以控制。
近室溫，Tn^+與HoS+共摻雷射晶體為準三能級系統，存在較為明顯的基態對2pm光子的重吸收作用，由於能量傳遞上轉換過程和激發態吸收的作用，這種基態的重吸收可以出現非線性飽和現象。在泵浦功率增加的過程中，由於單端面泵浦的非均勻吸收特性，導致了上能級粒子沿光軸方向的非均勻分布，使得近泵浦端面的泵浦光強度更高一些。在閾值處，近泵浦端面的強泵浦區實現了粒子數翻轉，為增益區；而遠泵浦端面的弱泵浦區沒有實現粒子數翻轉，為吸收區，可以看作可飽和吸收子。由於上能級的粒子數密度越大，能量傳遞上轉換和激發態吸收的作用越發明顯，從而導致上能級有效壽命的減小也越發明顯，因此在泵浦功率增加的過程中，在閾值泵浦功率處，增益區比吸收區有更高飽和光強， 一旦產生雷射振蕩，吸收區的吸收更容易飽和。正是由於Tm,Ho:YLF雷射晶體存在上述過程，導致了Tm,Ho:YLF雷射器的雙穩輸出，而腔內不需另加可飽和吸收子。在增加泵浦功率的過程中，當泵浦功率低於閾值泵浦功率時，雷射器處於關斷狀態，此時腔內光子數很少。由於雷射晶體的非粒子數反轉區(對2pm光子的吸收區)的基態重吸收作用，導致雷射器處於高損耗狀態，因此隨著泵浦功率的增加，雷射晶體上能級的粒子數密度隨之增加，導致能量傳遞上轉換和激發態吸收效應的影響更加顯著，從而使得泵浦功率的閾值進一步增加。 一旦抽運功率達到閾值，雷射器開始振蕩，腔內光子數急劇增加。由於雷射晶體基態重吸收的飽和作用，雷射器的損耗瞬間由高損耗轉為低損耗，反過來導致腔內雷射光強的進一步增加，直到增益與損耗達到新的平衡，雷射器實現了穩定輸出，因此出現了在高閾值處輸出功率有一個較大幅度的躍變量。當雷射器處於出光狀態，由於2pm雷射對Tm,Ho:YLF雷射晶體基態重吸收的飽和作用，導致雷射腔處於低損耗狀態；同時，2nm雷射的受激輻射壓制了能量傳遞上轉換和激發態吸收過程，因此，當雷射器處於出光狀態，泵浦功率在減小的過程中，雷射器停止振蕩時對應一個較低的泵浦閾值。這樣雷射二極體端面泵浦的Tm,Ho:YLF雷射器實現了雙穩輸出。若以另一束泵浦光控制Tm,Ho:YLF雷射晶體吸收區的吸收特性，就可以實現雷射器雙穩區寬度的有效控制。
發明內容
本發明的目的在於提供一種體積小、結構簡單、成本低；調節幅度大，使用方便的雙穩區寬度可調的光學雙穩Tm,Ho:YLF雷射器。
本發明的目的是這樣實現的它包括雷射二極體泵浦源、光纖、耦合透鏡、諧振腔、銩鈦共摻氟化鐿鋰(Tm,Ho:YLF)晶體；所述的雷射二極體泵浦源為兩個，兩個雷射二極體泵浦源發出的泵浦光分別經光纖和耦合透鏡進入諧振腔內；所述的諧振腔是由後腔鏡、45。角平面摺疊鏡和輸出鏡組成的L形直角摺疊腔，前端是後腔鏡，後端是45。角平面反射鏡，下端是輸出鏡，諧振腔內放置銩鈥共摻氟化鐿鋰晶體；銩鈥共摻氟化鐿鋰晶體側面用銦箔包好夾入帶有通光孔的銅質熱沉內，熱沉的溫度由高精度溫控儀精密控制，熱沉中熱電製冷片的熱面與帶有管道的金屬塊緊密相接觸，金屬塊內的管道持續通過循環冷卻水，用來帶走製冷產生的熱量。
本發明還可以包括這樣一些特徵
1、 所述的雷射二極體泵浦源的輸出波長為792nm。
2、 所述的銩鈥共摻氟化鐿鋰晶體的切割方向為沿物理學定義的a軸方向。
3、 所述的銩鈥共摻氟化鐿鋰晶體的兩個端面均鍍有對波長792nm和2.06pm的光增透的膜。
4、 所述的後腔鏡和45。角平面摺疊鏡鍍有對波長792nm的泵浦光增透的膜和對波長為2.06|Jm的光高反的膜。
5、 所述的雷射二極體端面泵浦雙穩區寬度可調的光學雙穩Tm，Ho:YLF雷射器，其特徵在於所述的輸出鏡對波長為2.06iJm的光的透過率為1%-10%。
46、 所述的銩鈥共摻氟化鐿鋰Tm，Ho:YLF晶體的兩端分別由兩個792nm的端面泵浦源進行泵浦，其中的一個泵浦源主要用於控制飽和吸收子的吸收性質。
7、 所述的雷射器的輸出波長為2.06Mm。
本發明中，第一泵浦源主要為雷射晶體提供泵浦能量，由於端面泵浦的非均勻吸收特性，使得近泵浦端面的泵浦光強度更高，導致了上能級粒子沿光軸方向的非均勻分布，在閾值處，近泵浦端面的強泵浦區實現了粒子數翻轉，為增益區，而遠泵浦端面的弱泵浦區沒有實現粒子數翻轉，為吸收區，可以看作可飽和吸收子；第二泵浦源輸出較小功率主要用於改變雷射晶體吸收區的吸收性能，達到調節雙穩區寬度的目的。
本發明首先使第一泵浦源的輸出功率為零，第二泵浦源的輸出功率為零。在保持第二泵浦源的輸出功率為零的前提下，逐漸調大第一泵浦源的輸出功率，直至輸出鏡端有雷射輸出；設此時第一泵浦源的輸出功率為P。n，然後逐步減小第一泵浦源的輸出功率，直至雷射器輸出鏡的輸出功率為零，設此時第一泵浦源的輸出功率為P。ff;光學雙穩區的寬度則為AP產P。n-P。ff。接下來，增大一點第二泵浦源的輸出功率，重複上述過程，測得的雙穩區寬度為AP2;有AP^AP2。最後，第一泵浦源與第二泵浦源的輸出功率同步增加和減小，光學雙穩現象消失。
本發明提供了一種全新的雷射二極體端面泵浦雙穩區寬度可調的光學雙穩Tm，Ho:YLF雷射器，Tm,Ho:YLF雷射晶體既做增益介質又做可飽和吸收子，比激
光介質與可飽和吸收子分開的雷射器少用了一塊晶體，因此該雷射器的體積更小、結構更加簡單、成本更低；並且通過向吸收區注入泵浦光來改變吸收區的吸收性能，達到調節雙穩區寬度的目的，使得本發明的調節幅度大，使用方便。
(四)
圖l是本發明雷射器光路結構示意圖。圖2是本發明中的光學雙穩態現象實驗圖。
圖3是本發明中第一泵浦源與第二泵浦源的輸出功率同步增加然後同步減小時光學雙穩態消失的實驗圖。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述
結合圖l，本實施包括雷射二極體第一泵浦源l、光纖2、耦合透鏡3、後腔鏡4、沿a軸切割銩鈥共摻氟化鐿鋰Tm,Ho:YLF晶體5、 45。角平面摺疊鏡6、輸出 鏡7、耦合透鏡8、光纖9、雷射二極體第二泵浦源10。兩個雷射二極體泵浦源l、 10發出的泵浦光分別經光纖2、 9和耦合透鏡3、 8進入諧振腔內；所述的諧振腔 是由後腔鏡4、 45。角平面摺疊鏡6和輸出鏡7組成的L形直角摺疊腔，前端是後 腔鏡4,後端是45。角平面反射鏡6，下端是輸出鏡7，諧振腔內放置銩鈥共慘氟化 鐿鋰晶體5。
所述的雷射二極體端面泵浦源的輸出波長為792nm。
所述的銩鈥共摻氟化鐿鋰Tm，Ho:YLF晶體的切割方向為沿物理學定義的a軸 方向，該晶體既做雷射增益介質又做產生光學雙穩的飽和吸收子，該晶體的摻雜濃 度為6%丁1113+， 0.4%Ho3+。
所述的銩欽共摻氟化鐿鋰Tm,Ho:YLF晶體的兩個端面均鍍有對波長792nrn和 2.06|Jm的光增透的膜。
所述的後腔鏡和45。角平面摺疊鏡鍍有對波長792nm的泵浦光增透的膜和對波 長為2.06pm的光高反的膜。
所述的輸出鏡對波長為2.06|Jm的光的透過率為3%。
所述的銩鈥共摻氟化鐿鋰Tm，Ho:YLF晶體的兩端分別由兩個792nm的端面泵 浦源進行泵浦，其中的一個泵浦源主要用於控制飽和吸收子的吸收性能。 所述的雷射器的輸出波長為2.06pm。
本實施例中，第一泵浦源1為銩鈥共摻氟化鐿鋰Tm,Ho:YLF晶體5提供泵浦 能量，由於單端面泵浦的非均勻吸收特性，使得近泵浦端面的泵浦光強度更高，導 致了上能級粒子沿光軸方向的非均勻分布，在泵浦閾值處，近泵浦端面的強泵浦區 實現了粒子數翻轉，為增益區，而遠泵浦端面的弱泵浦區沒有實現粒子數翻轉，為 吸收區，可以看作可飽和吸收子，因此可選用一塊銩鈥共摻氟化鐿鋰Tm,Ho:YLF 晶體既做增益介質又做可飽和吸收子。第二泵浦源10主要用於改變雷射晶體吸收 區的非線性吸收性能，達到控制雙穩區寬度的目的。
本實施例在將第二泵浦源10的輸出功率調為零時，調節第一泵浦源1的輸出 功率的大小，當第一泵浦源的輸出功率增加到3.7W時，該功率稱為開泵浦閾值， 輸出鏡7處有雷射輸出。然後再將第一泵浦源的輸出功率調小，直到第一泵浦源的 輸出功率降到3.1W時，該功率稱為關泵浦閾值，輸出鏡7處的雷射輸出才停止。
6當第一泵浦源的輸出功率為3.1W與3.7W之間的某一個值時，此雷射器在輸出鏡7 處有兩個雷射輸出值，這種現象即是固體雷射器的光學雙穩現象。第二泵浦源的輸 出功率為零時，輸出鏡7處雷射的輸出功率與第一泵浦源泵浦功率的關係曲線如圖 2所示，雙穩區的寬度為開泵浦閾值與關泵浦閾值之差為0.6W。在第二泵浦源10 有較小的輸出功率時，重複上述實驗過程，發現輸出鏡7處的雷射雙穩區寬度有所 減小，並且光學雙穩區寬度的減小隨第二泵浦源IO輸出功率的增加而越發明顯。 當第一泵浦源1與第二泵浦源10的輸出功率同步增加和減小時，輸出鏡7處雷射 的輸出功率隨兩個泵浦源輸出功率之和的變化關係曲線如圖3所示，可見此時不存
在光學雙穩現象。
權利要求
1、一種雙穩區寬度可調的光學雙穩Tm，HoYLF雷射器，它包括雷射二極體泵浦源、光纖、耦合透鏡、諧振腔、銩鈥共摻氟化鐿鋰晶體；其特徵是所述的雷射二極體泵浦源為兩個，兩個雷射二極體泵浦源發出的泵浦光分別經光纖和耦合透鏡進入諧振腔內；所述的諧振腔是由後腔鏡、45°角平面摺疊鏡和輸出鏡組成的L形直角摺疊腔，前端是後腔鏡，後端是45°角平面反射鏡，下端是輸出鏡，諧振腔內放置銩鈥共摻氟化鐿鋰晶體；銩鈥共摻氟化鐿鋰晶體側面用銦箔包好夾入帶有通光孔的銅質熱沉內，熱沉的溫度由高精度溫控儀精密控制，熱沉中熱電製冷片的熱面與帶有管道的金屬塊緊密相接觸，金屬塊內的管道持續通過循環冷卻水，用來帶走製冷產生的熱量。
2、 根據權利要求1所述的雙穩區寬度可調的光學雙穩Tm,Ho:YLF雷射器， 其特徵是所述的雷射二極體泵浦源的輸出波長為792nm。
3、 根據權利要求2所述的雙穩區寬度可調的光學雙穩Tm，Ho:YLF雷射器， 其特徵是所述的銩鈥共摻氟化鐿鋰晶體的切割方向為沿物理學定義的a軸方向。
4、 根據權利要求3所述的雙穩區寬度可調的光學雙穩Tm,Ho:YLF雷射器， 其特徵是所述的銩鈥共摻氟化鐿鋰晶體的兩個端面均鍍有對波長792nm和 2.06|Jm的光增透的膜。
5、 根據權利要求4所述的雙穩區寬度可調的光學雙穩Tm,Ho:YLF雷射器， 其特徵是所述的後腔鏡和45。角平面摺疊鏡鍍有對波長792nm的泵浦光增透的 膜和對波長為2.06|Jm的光高反的膜。
6、 根據權利要求5所述的雙穩區寬度可調的光學雙穩Tm,Ho:YLF雷射器， 其特徵是所述的雷射二極體端面泵浦雙穩區寬度可調的光學雙穩Tm,Ho:YLF 雷射器，其特徵在於所述的輸出鏡對波長為2.06lJm的光的透過率為1%-10%。
7、 根據權利要求6所述的雙穩區寬度可調的光學雙穩Tm,Ho:YLF雷射器， 其特徵是所述的銩鈥共摻氟化鐿鋰Tm,Ho:YLF晶體的兩端分別由兩個792nm 的端面泵浦源進行泵浦，其中的一個泵浦源主要用於控制飽和吸收子的吸收性質。
8、 根據權利要求7所述的雙穩區寬度可調的光學雙穩Tm,Ho:YLF雷射器， 其特徵是所述的雷射器的輸出波長為2.06pm。
全文摘要
本發明提供的是一種雷射二極體端面泵浦雙穩區寬度可調的光學雙穩Tm，Ho:YLF雷射器。它包括雷射二極體泵浦源、光纖、耦合透鏡、諧振腔、銩鈥共摻氟化鐿鋰晶體；其特徵是所述的雷射二極體泵浦源為兩個，兩個雷射二極體泵浦源發出的泵浦光分別經光纖和耦合透鏡進入諧振腔內；所述的諧振腔是由後腔鏡、45°角平面摺疊鏡和輸出鏡組成的L形直角摺疊腔，前端是後腔鏡，後端是45°角平面反射鏡，下端是輸出鏡，諧振腔內放置銩鈥共摻氟化鐿鋰晶體。本發明的雷射器的體積更小、結構更加簡單、成本更低；並且通過向吸收區注入泵浦光來改變吸收區的吸收性能，達到調節雙穩區寬度的目的，使得本發明的調節幅度大，使用方便。
文檔編號H01S3/10GK101465513SQ20091007124
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月9日 優先權日2009年1月9日
發明者崔金輝, 張新陸, 立 李 申請人:哈爾濱工程大學