[發明專利]一種中紅外激光的效率提高方法及中紅外激光裝置

在審

• 申請號: 201510416551.0
• 申請日: 2015-07-15
• 公開（公告）號: CN105024265A
• 公開（公告）日: 2015-11-04
• 發明（設計）人: 宗楠;陳家康;王志敏;薄勇;陳洪斌;申玉;代世波;張豐豐;彭欽軍;許祖彥
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: H01S3/081
• 分類號: H01S3/081
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 李相雨

技術領域

本發明屬于激光裝置技術領域，特別涉及一種中紅外激光的效率提高方法及中紅外激光裝置。

背景技術

自1960年世界上第一臺激光裝置誕生以來，各類激光裝置及激光技術的發展極為迅速。激光技術在各個領域，特別是科學研究以及國防建設等領域得到了廣泛的應用，已經成為現代科學技術及社會發展的重要支柱之一。其中，中紅外2.7-3μm激光波段處于水的強吸收帶，其比10.6μm更易被水、Ca、P等吸收，可用于多水分的身體軟組織及骨的切開、切除手術，因此在生物醫療中有著重要的應用，目前已應用在眼科、牙科及激光美容手術中。另外在11km以上高空及太空，由于水汽含量大量減少，大氣吸收也大為減少，并且2.7-3μm波段之間還有亞精細波長對水的吸收較弱，因此這個波段的激光可直接用于太空軍事及科學研究。

目前能夠直接實現2.7-3μm激光輸出的稀土激活離子主要有Er³⁺、Ho³⁺。圖1為這兩種激活離子實現2.8μm附近激光躍遷的能級示意圖，其中對于Er³⁺離子的1.5μm附近(⁴I_13/2至⁴I_15/2躍遷)和Ho³⁺離子的2.0μm附近(⁵I₇至⁵I₈躍遷)近紅外激光，由于是激發態至基態能級的躍遷，相對容易實現，目前已發展的比較成熟。但是對于Ho³⁺、Er³⁺的2.8μm附近激光均是分別由兩個激發態能級⁴I_11/2至⁴I_13/2和⁵I₆至⁵I₇之間躍遷產生的，并且激光下能級壽命較長，不利于粒子數反轉，因此原則上是自終止的，其2.8μm激光之所以能夠正常工作，主要是由于上轉換和激發態吸收為抽空激光下能級提供了一個通道，圖1中UC和ESA分別表示上轉換和激發態吸收過程，其中Er³⁺可以直接吸收970nm泵浦光，由于Ho³⁺在970nm附近無吸收，所以使用Yb³⁺作為敏化離子，吸收泵浦光能量傳遞給Ho³⁺離子。

即便如此，雖然實現了Ho³⁺和Er³⁺2.7-3μm波段的激光輸出，但是兩種激活離子的中紅外激光效率和輸出功率還是受到了影響。目前國內外主要研究的方法是通過摻入適量Pr³⁺、Eu³⁺及Ho³⁺等退激活離子，通過離子共振能量轉移，抽空激光下能級粒子，降低能級壽命，從而期望進一步降低激光閾值，提高激光效率和功率。該方法雖然在一定程度上實現了提高激光輸出功率及效率，但仍不足。

發明內容

基于上述問題，本發明提供一種中紅外激光的效率提高方法及中紅外激光裝置，通過設計諧振腔結構，可以同時輸出中紅外激光和中紅外激光下能級到基態躍遷所對應的第二激光，從而使得中紅外激光下能級粒子快速回落到基態，從而降低激光下能級壽命，提高激光效率，并實現雙波長激光輸出。

針對上述目的，本發明提供一種中紅外激光的效率提高方法，其特征在于，激光晶體的能級由低到高至少包括基態、第一激發態和第二激發態，所述第二激發態至所述第一激發態的粒子躍遷產生第一波長激光，所述第一激發態至所述基態的粒子躍遷產生第二波長激光，所述第一波長激光和所述第二波長激光通過諧振腔同時輸出，由于產生第二波長激光，使得第一激發態的粒子快速回落到基態，降低了粒子在所示第一激發態的壽命，使得所述第一波長激光的產生效率提高。

其中，所述第一波長激光為2.7-3μm的中紅外激光，所述激光晶體為摻雜Er³⁺的晶體或摻雜Ho³⁺或/和其他敏化離子的晶體。