一种高效率中远红外激光装置

摘要

本发明提供一种高效率中远红外激光装置，包括：依次设置的高功率偏振激光器，光束整形模块，输入镜，中红外变频晶体，输出镜；所述输入镜镀有对于基频激光具有高透过率、对于目标波长变频激光高反射率的膜；输出镜镀有对于基频激光具有高反射率、对于目标波长变频激光预设透过率的膜；高功率偏振激光器输出的偏振激光经光束整形模块整形后，经过输入镜入射到中红外变频晶体上；输入镜和输出镜形成光参量激光谐振腔镜，并输出目标波长变频激光。该装置采用Tm:YAG晶体，通过精密匹配高功率偏振激光器中两个偏振态激光增益与损耗关系，实现高功率偏振激光输出，直接泵浦ZGP晶体，高效且高可靠性的实现中远红外激光的输出。

权利要求

1.一种高效率中远红外激光装置，其特征在于，包括：

依次沿光路设置的高功率偏振激光器(1)、光束整形模块(2)、输入镜(3)、中红外变频晶体(4)以及输出镜(5)；

所述输入镜(3)镀有对于基频激光高透过率且对于目标波长变频激光高反射率的膜；

所述输出镜(5)镀有对于基频激光高反射率且对于目标波长变频激光预设透过率的膜；

所述高功率偏振激光器(1)输出的基频激光经光束整形模块(2)整形后，经由所述输入镜(3)入射到所述中红外变频晶体(4)上；所述输入镜(3)和所述输出镜(5)为光参量激光谐振腔的腔镜；所述输出镜(5)用于输出在所述光参量激光谐振腔内振荡的目标波长的变频激光，其中，所述高功率偏振激光器(1)包括：高反镜(12)、激光增益模块(11)、偏振片(13)、s光输出镜(14)和p光输出镜(15)；

其中，所述激光增益模块(11)的激光增益介质(112)采用Tm：YAG晶体；

所述高反镜(12)上镀有对s偏振激光和p偏振激光高反射率膜；

与所述s光输出镜(14)形成第一谐振腔；与所述p光输出镜(15)形成第二谐振腔；

所述s光输出镜(14)位于所述偏振片(13)的反射光光路上；所述p光输出镜(15)位于所述偏振片(13)的透射光光路上；

其中，所述s光输出镜(14)和所述p光输出镜(15)中的一个用于作为所述高功率偏振激光器(1)输出所述基频激光的输出镜；

其中，s光输出镜(14)对s偏振激光的透过率和p光输出镜(15)对p偏振激光的透过率匹配，以实现s偏振激光的增益和损耗与p偏振激光的增益和损耗的匹配；

所述s光输出镜(14)对s偏振激光的透过率和p光输出镜(15)对p偏振激光的透过率匹配，包括：所述s光输出镜(14)对于s偏振激光的透过率为0.5％～10％，相应的，所述的p光输出镜(15)对于p偏振激光透过率为4％～20％；此时，高功率偏振激光器(1)输出的基频激光为p偏振激光；或者所述s光输出镜(14)对于s偏振激光透过率为4％～20％，相应的，所述p光输出镜(15)对于p偏振激光透过率为0.5％～10％；此时，高功率偏振激光器(1)输出的基频激光为s偏振激光。

2.如权利要求1所述的高效率中远红外激光装置，其特征在于，所述中红外变频晶体(4)为ZGP晶体，所述目标波长变频激光为2μm～14μm波段的激光，所述基频激光为s偏振激光或p偏振激光。

3.如权利要求2所述的高效率中远红外激光装置，其特征在于，所述激光增益模块(11)还包括泵源(111)和散热装置(113)，其中，所述泵源(111)为端泵泵源或者侧泵泵源，采用780波段的激光二极管，对所述激光增益介质(112)进行泵浦；

所述散热装置(113)与所述激光增益介质(112)的侧面接触，用于为所述激光增益介质(112)散热。

4.如权利要求3所述的高效率中远红外激光装置，其特征在于，所述基频激光为2μm波段的激光。

5.如权利要求3至4任一所述的高效率中远红外激光装置，其特征在于，所述偏振片(13)为45°偏振片，或者为55.6°偏振片。

6.如权利要求1至4任一所述的高效率中远红外激光装置，其特征在于，所述输出镜(5)上镀有对于目标波长变频激光预设透过率为5％～70％的膜。

7.如权利要求6所述的高效率中远红外激光装置，其特征在于，所述中远红外激光装置还进一步包括隔离模块(6)，沿光路放置于所述光束整形模块(2)和所述输入镜(3)之间，所述隔离模块(6)用于防止激光返回高功率偏振激光器(1)。

8.如权利要求1至4任一所述的高效率中远红外激光装置，其特征在于，所述光束整形模块(2)包括至少一个整形透镜，所述整形透镜用于实现所述基频激光与光参量谐振腔的模式匹配。

说明书

一种高效率中远红外激光装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高功率固体激光器，特别涉及一种高效率中远红外激光 装置。

背景技术

[0002] 中远红外激光源在国防、材料加工、医疗和探测领域有广泛的应用价值。 目前，获得高效率的中红外激光源的优选技术方案是通过ZnGeP2(ZGP)晶 体变频产生中红外激光，所述变频是指通过光参量振荡器(OPO)的方式实 现。而ZGP晶体仅能采用2μm以上的激光进行泵浦，通常采用790nm LD 泵浦Tm:YLF晶体产生1.9μm线偏振光，再泵浦Ho:YAG晶体产生2.07μm 激光，之后通过光参量变频过程，产生中红外激光。但是其物理过程多，导 致获得中远红外激光的效率不高。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种高效率中远红外激光装置，该装置采用780波 段的激光二极管泵浦Tm:YAG激光增益介质产生2μm波段的基频激光后， 通过外腔光参量过程，获得目标波长的变频激光输出。

[0004] 根据本发明的第一方面，提供了一种高效率中远红外激光装置，包括：

[0005] 依次沿光路设置的高功率偏振激光器、光束整形模块、输入镜、中红外 变频晶体以及输出镜；所述输入镜镀有对于基频激光高透过率且对于目标波 长变频激光高反射率的膜；所述输出镜镀有对于基频激光高反射率且对于目 标波长变频激光预设透过率的膜；所述高功率偏振激光器输出的基频激光经 光束整形模块整形后，经由所述输入镜入射到所述中红外变频晶体上；所述 输入镜和所述输出镜为光参量激光谐振腔的腔镜；所述输出镜用于输出在所 述光参量激光谐振腔内振荡的目标波长的变频激光。

[0006] 可选的，所述中红外变频晶体为ZGP晶体，所述目标波长变频激光为2 μm～14μm波段的激光，所述基频激光为s偏振激光或p偏振激光；。

[0007] 可选的，高功率偏振激光器包括：高反镜、激光增益模块、偏振片、s 光输出镜和p光输出镜；其中，所述高反镜上镀有对s偏振激光和p偏振激 光高反射率的膜；与所述s光输出镜形成第一谐振腔；与所述p光输出镜形 成第二谐振腔；s光输出镜位于所述偏振片的反射光光路上；所述p光输出 镜位于所述偏振片的透射光光路上；其中,所述s光输出镜和所述p光输出镜 中的一个用于作为所述高功率偏振激光器输出所述基频激光的输出镜；其中， s光输出镜对s偏振激光的透过率和p光输出镜对p偏振激光的透过率匹配， 以实现s偏振激光的增益和损耗与p偏振激光的增益和损耗的匹配。

[0008] 可选的，激光增益模块包括泵源、激光增益介质和散热装置，其中，所 述泵源为端泵泵源或者侧泵泵源，采用780波段的激光二极管，对所述激光 增益介质进行泵浦；所述激光增益介质采用Tm：YAG晶体；所述散热装置 与所述激光增益介质的侧面接触，用于为所述激光增益介质散热。

[0009] 可选的，基频激光为2μm波段的激光。

[0010] 可选的，s光输出镜对s偏振激光的透过率和p光输出镜对p偏振激光 的透过率匹配，包括：所述s光输出镜对于s偏振激光的透过率为0.5％～10％， 相应的，所述的p光输出镜对于p偏振激光透过率为4％～20％；此时，高功 率偏振激光器输出的基频激光为p偏振激光；或者所述s光输出镜对于s偏 振激光透过率为4％～20％，相应的，所述p光输出镜对于p偏振激光透过率 为0.5％～10％；此时，高功率偏振激光器输出的基频激光为s偏振激光。

[0011] 可选的，所述偏振片为45°偏振片，或者为55.6°偏振片。

[0012] 可选的，所述输出镜上镀有对于目标波长变频激光预设透过率为 5％～70％的膜。

[0013] 可选的，所述中远红外激光装置还进一步包括隔离模块，沿光路放置于 所述光束整形模块和所述输入镜之间，所述隔离模块用于防止激光返回高功 率偏振激光器。

[0014] 可选的，光束整形模块包括至少一个整形透镜，所述整形透镜用于实现 所述基频激光与光参量谐振腔的模式匹配。

[0015] 本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：首先通过Tm:YAG晶 体产生2μm波段的高功率偏振激光输出，然后通过在外腔设置光参量谐振腔 的方式，获得2μm～14μm波段目标波长变频激光输出，与以往的方式相比， 减少了一级激光过程，提高了系统的电光效率和可靠性，且进一步提高了中 远红外激光输出的效率。

附图说明

[0016] 图1为本发明第一实施例中的高效率中远红外激光装置的结构示意图；

[0017] 图2为本发明中高功率激光偏振器的结构示意图；

[0018] 图3为包含光束整形模块的高效率中远红外激光装置的结构示意图；

[0019] 图4为本发明第一实施例中的高效率中远红外激光装置的结构示意图；

[0020] 图5为本发明第二实施例中的高效率中远红外激光装置的结构示意图。

具体实施方式

[0021] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发 明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获 得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0022] 申请人通过系统地理论计算和实验研究，发现了Tm:YAG晶体在激光振 荡过程中偏振态随增益损耗关系演化的独特现象，结合理论计算提出了其增 益与损耗控制方法，可通过Tm:YAG晶体实现高功率偏振激光输出。因此本 申请的技术方案，是通过泵浦Tm：YAG晶体产生高功率基频激光，高频率 的基频激光直接泵浦ZGP晶体从而产生目标波长的变频激光，这种实现方式 总电光效率可提升4倍，同时可降低系统复杂性、提升稳定性，实现小型实 用化样机，用于激光医疗手术等领域。

[0023] 第一实施例

[0024] 本发明实施例提供的高效率中远红外激光装置如图1所示，包括沿光路 方向依次放置的高功率偏振激光器1、光束整形模块2、输入镜3、中红外变 频晶体4以及输出镜5；其中，所述光束整形模块2、输入镜3、中红外变频 晶体4以及输出镜5在所述高功率偏振激光器1输出的基频激光的光路上。

[0025] 所述高功率偏振激光器1通过泵浦Tm：YAG晶体产生高功率基频激光， 所述基频激光为p偏振激光或者s偏振激光；所述光束整形模块2用于对高 功率偏振激光器1产生的基频激光进行整形；所述输入镜3镀有对于高功率 偏振激光器1产生的基频激光高透过率且对于输出的目标波长变频激光高反 射率的膜，这里所述高透过率的膜镀在输入镜3的两侧，高反射率的膜镀在 所述输入镜3靠近所述输出镜5的一侧，也就是由输入镜3和输出镜5组成 的光参量激光谐振腔的腔内的一侧；输出镜5镀有对于所述高功率偏振激光 器1产生的基频激光具有高反射率、对于所述目标波长变频激光具有预设透 过率的膜。所述输入镜3、中红外变频晶体4和输出镜5组成光参量激光谐 振腔，所述输出镜5用于输出在所述光参量激光谐振腔内振荡的目标波长的 变频激光。本领域技术人员可以理解的，激光装置中，输出波长是由输入镜、 输出镜或者高反镜等镀膜的设计参数以及晶体的切割角度等因素决定的，其 中，在本实施例中，所述高透过率为大于98％的透过率，所述高反射率为大 于
98％的反射率，所述预设透过率根据需要设定，优选的，为5％～70％时， 可以实现高效率的目标波长变频激光输出。所述中红外变频晶体4为ZGP晶 体，所述目标波长变频激光为2μm～14μm波段中特定波长的激光，或者， 2μm～14μm波段中特定的调谐激光。

[0026] 在本实施例中，所述高功率偏振激光器1的具体结构如图2所示，包括 高反镜12、激光增益模块11、偏振片13、s光输出镜14以及p光输出镜15。 其中，所述高反镜12、激光增益模块11和偏振片13依次放置，所述s光输 出镜14位于所述偏振片13反射光光路上且与反射光垂直，将偏振片13反射 的s偏振激光部分垂直反射按原路返回后，与所述高反镜12形成第一谐振腔， 同时部分出射形成s偏振激光；所述p光输出镜15位于偏振片13透射光光 路上且与透射光垂直，将偏振片13透射的p偏振激光部分垂直反射按原路返 回，与高反镜12形成第二谐振腔，部分出射形成p偏振激光。

[0027] 所述高反镜12的腔内一侧镀有对于s偏振激光和p偏振激光高反射率的 膜；所述s光输出镜14的腔内一侧镀有对于s偏振激光预设透过率的膜，另 一侧镀有对于所述s偏振激光高透过率的膜；所述p光输出镜5的腔内一侧 镀有对于p偏振激光预设透过率的膜，另一侧镀有对于p偏振激光高透过率 的膜，所述预设透过率根据需要设置。所述腔内一侧是指朝向偏振片13的一 侧，所述另一侧是指远离偏振片13的一侧。本实施例中，所述高反射率为大 于99.8％的反射率，所述高透过率为大于99.8％的透过率。通过设置s光输 出镜14对s偏振激光的预设透过率和p光输出镜15对p偏振激光的预设透 过率，实现s偏振激光和p偏振激光之间增益和损耗的匹配，从而实现高功 率的基频激光输出。本实例中，所述增益和损耗的匹配是指：所述s光输出 镜14对于s偏振激光的预设透过率为4％～20％时，相应的，所述p光输出镜 15对于p偏振激光的预设透过率为0.5％～10％，此时，所述高功率偏振激光 器1输出s偏振激光，所述光束整形模块2、输入镜3、中红外变频晶体4 以及输出镜5位于s光路上；或者，所述s光输出镜14对于s偏振激光的预 设透过率为0.5％～10％时(优选为2％)，相应的，所述p光输出镜15对于p 偏振激光的预设透过率为4％～20％(优选为8％)，此时，所述高功率偏振激 光器1输出p偏振激光，所述光束整形模块2、输入镜3、中红外变频晶体4 以及输出镜5位于p光路上。

[0028] 本实例中，所述偏振片13上镀有预定角度的膜，所述预定角度可以根据 需要设置，所述偏振片13为45°偏振片时，入射光线和反射光线之间的夹 角为90°，便于装置的调节；或者，所述偏振片为55.6°偏振片时，入射光 线与法线的夹角为55.6°，可以提高反射率，以及高功率偏振激光器的效率。

[0029] 本实施例中，所述激光增益模块11包括泵源111、激光增益介质112和 散热装置113，所述泵源111采用波长为780nm波段的激光二极管LD作为 侧泵泵源，位于所述激光增益介质112的侧面，所述780nm波段为 780nm～790nm，在一个具体的实施例中为783nm；所述激光增益介质112采 用Tm：YAG晶体，受激辐射产生2μm波段的激光，所述2μm波段为 2μm～
2.1μm波段(在上述具体的实施例中为2.03μm)；所述散热装置113与所 述激光增益介质112的侧面接触，用于为所述激光增益介质112进行散热。

[0030] 在上述实施例中，所述激光增益模块11中的泵源111也可以为端泵泵源， 与所述偏振片13分别位于所述激光增益介质112的两侧端面，相应的，所述 高反镜12位于泵源111和激光增益介质112之间，其上镀有对于s偏振激光 和p偏振激光高透过率的模块，所述高透过率为大于99.8％的透过率。

[0031] 优选的，为提高功率，降低热效应，所述高功率偏振激光器1可以包含 至少两个激光增益模块11进行串联，为方便描述，在本实施例中，如图3 所示的，以两个激光增益模块为例进行说明，所述激光增益模块11可以选用 783nm的泵源侧面泵浦90nm长的Tm：YAG晶体，实现基频激光输出。所 述高功率偏振激光器1中的其他结构如高反镜12、偏振片13、s光输出镜14 和p光输出镜15等与前述实施例相同，在此不再赘述。

[0032] 优选的，本实施例中的光束整形模块2如图4所示的，包括至少一个整 形透镜，在本实施例以两个整形透镜为例进行说明，分别为第一透镜21和第 二透镜22，第一透镜21和第二透镜22共轴，其结构根据需要可以相同或不 同，能够实现2μm波段的光与光参量谐振腔的模式匹配即可。

[0033] 本实施例的高效率中远红外激光装置的具体工作过程为：

[0034] 首先，高功率偏振激光器1向光束整形模块输出基频激光；其中，高功 率偏振激光器1的相关工作过程如下：波段为780nm的泵浦110mmTm：YAG 激光增益介质112，产生2μm波段的激光，经过偏振片13后，分离产生反 射光和透射光，所述反射光为s偏振激光，所述透射光为p偏振激光，其中s光输出镜14对于s偏振激光的透过率为2％，p光输出镜15对于p偏振激 光的透过率为8％(二者可以实现s偏振激光和p偏振激光的增益损耗匹配)， 此时，高功率偏振激光器1输出的2μm波段的基频激光为p偏振激光，；

[0035] 然后，高功率偏振激光器1输出的所述基频激光(p偏振激光)经过光 束整形模块2整形后，与所述光参量谐振腔的模式匹配，然后经由输入镜3， 入射到ZGP中红外变频晶体4上；

[0036] ZGP中红外变频晶体4受激辐射出的激光在输入镜3和输出镜5之间进 行光参量激光谐振，通过输出镜5输出目标波长为2μm～14μm的变频激光。

[0037] 第二实施例

[0038] 本发明中高效率中远红外激光装置，除了包含第一实施例中的高功率偏 振激光器1、光束整形模块2、激光输入镜3、中红外变频晶体4以及激光输 出镜5之外，如图5所示的，还进一步包括隔离模块6，所述隔离模块6为 隔离器，位于激光输出镜之前，用于防止光返回高功率偏振激光器1，以免 造成干扰。

[0039] 应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释 本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和 范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和 边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

[0040] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式 的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做 出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。 而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之 中。