一种抑制Ho3+掺杂激光晶体3μm波段激光跃迁自终止的方法

本发明属于固体中红外激光，具体涉及一种抑制ho3+掺杂激光晶体3μm波段激光跃迁自终止的方法。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、中红外3μm波段相干光源在光谱学、自由空间通信、激光医疗、光电探测及光电对抗等领域有着广泛的应用价值。例如，该波段激光对应c-h和n-h等分子键的共振吸收峰，利用这一特点可以快速、精准的检/探测碳氢化合物以及各种类型的爆炸材料(如：tnt,rdx,petn等)；在激光医疗中，消融阈值和周围组织的热扩散与吸收系数成反比，3μm波段与水的强吸收峰重叠，因而水对它的吸收系数特别高，可以达到104cm-1(比1μm波段高4个数量级，比2μm波段高2个数量级)，这种强吸收使激光在很浅的深度被吸收(d＝1/α)，可以保证在对软组织周围不产生任何热损伤的前提下进行精确切割，是精细外科手术的理想工具。此外，3μm波段光源与有机分子强共振峰重叠，在高分子材料精密加工方面也具有很高的应用价值。综上所述，中红外3μm波段相干光源独特的光谱特性，在精准探测、生命健康、先进制造、前端科学等领域具有广阔的应用前景，是激光领域的研究热点之一。

3、目前，产生3μm波段中红外激光主要有以下几种技术途径：(1)化学激光器(氟化氢hf/氟化氘(df)激光器)，可以实现高能量激光输出，但体积大、价格高、反应化合物难处理，限制了在工业、医疗等方面的应用；(2)半导体量子级联激光器，波长能够覆盖中红外，但输出功率较低，制备工艺复杂，加上成本、光束质量以及工作温度，使其应用受到一定限制；(3)非线性频率下转换技术(光参量振荡(opo)、光参量放大(opa)、差频(dfg))，利用成熟的近、中红外激光泵浦非线性体块晶体(如：砷酸钛氧钾(kta)、磷锗锌(zngep)、硫镓银(asgas)、硒铟锂(lilnse)等)产生3μm波段激光，是目前获得中红外激光最常用手段，但增加了非线性频率转换的中间环节，系统复杂，降低了转换效率及系统稳定性；(4)稀土离子掺杂激光器，以镝(dy3+)、铒(er3+)、钬(ho3+)等为激活离子的固体激光器具有结构紧凑、效率高、成本低等优点。特别的，随着近几年稀土离子掺杂增益晶体制备技术的不断发展以及中红外光学元器件制备水平的提升，稀土离子掺杂的固体激光逐步成为获得3μm波段激光光源的最有效的技术方案。

4、er3+离子作为3μm波段主要激活离子，可通过4i11/2→4i13/2能级跃迁产生3μm波段激光，是该波段研究最广泛的稀土离子。由于4i11/2能级寿命小于4i13/2，不利于粒子数反转和3μm波段激光发射，存在激光“自终止”现象。提高er3+离子掺杂浓度增加能量上传换效率或选择低声子能量的基质材料(氟化钙(caf2)、氟化镥锂(liluf4)、氟化钇钡(bay2f8)、氟化锶(srf2)等)降低无辐射跃迁几率可以解决4i11/2→4i13/2跃迁“自终止”问题。但掺杂浓度过高将导致严重的晶体热效应，限制了激光功率提升。值得注意的，多重斯塔克能级分裂也会导致er3+离子3μm波段光谱分裂，不利于实现连续宽调谐或超快锁模激光运转。dy3+离子可以通过6h13/2→6h15/2跃迁产生3μm波段激光，不存在能级跃迁自终止问题，但3μm波段激光下能级为基态能级，存在激光振荡阈值高、效率低等问题。此外，dy3+掺杂激光晶体制备工艺尚不成熟，3μm波段连续波激光特性的研究尚未见报道。相比于er3+离子和dy3+离子，ho3+离子3μm波段5i6→5i7能级跃迁属于四能级结构，阈值更低、效率更高。同时，晶体的荧光发射峰更接近3μm，在气体探测等方面优势明显。此外，ho3+掺杂激光晶体制备工艺成熟，ho:yag、ho:ylf、ho:yap等晶体均以实现商业化。

5、虽然，ho3+掺杂激光晶体在3μm波段优势明显，然而，ho3+离子3μm波段激光上能级5i6荧光寿命明显低于下能级5i7，极易导致激光跃迁自终止效应。相关研究指出可以通过引入“去活”离子解决这一核心问题，如引入pr3+离子，通过ho3+:5i7→pr3+:3f2能级之间的能量共振转移衰减5i7能级寿命。但pr3+离子的引入会使共掺晶体能级之间能量传递更加复杂，热效应更加明显，不易实现高功率激光输出，还极易导致2μm波段荧光淬灭及3μm波段光谱分裂。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种抑制ho3+掺杂激光晶体3μm波段激光跃迁自终止的方法。本发明针对ho3+掺杂激光晶体3μm波段存在的激光跃迁自终止效应，提出增益调控的技术方法，ho3+:5i6→5i7和5i7→5i8能级跃迁过程分别对应3μm和2μm波段激光受激辐射，可以发现2μm激光上能级正是3μm激光下能级，利用2μm激光对3μm激光跃迁下能级进行干预，即在ho3+掺杂激光晶体3μm激光谐振腔中引入2μm激光，进而抽空3μm激光下能级粒子数，强制实现3μm激光上能级粒子数大于下能级粒子数，抑制跃迁自终止这一技术瓶颈，实现3μm激光输出，降低激光振荡阈值，提高激光输出功率和效率。利用ho3+掺杂激光晶体2μm激光上能级为3μm激光下能级这一特点，在ho3+掺杂激光晶体3μm波段谐振腔中引入2μm波段激光，强制抽运3μm激光下能级粒子数，通过优化晶体掺杂浓度、引入的2μm激光功率、谐振腔结构等参数，实现ho3+掺杂激光晶体3μm波段高功率、高效率、高光束质量激光输出。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供了一种抑制ho3+掺杂激光晶体3μm波段激光跃迁自终止的方法，包括以下步骤：

4、s1、沿光路依次设置泵浦源、准直聚焦系统、折叠镜、谐振腔、第一分光镜和第二分光镜，所述谐振腔包括激光输入镜、ho3+掺杂激光晶体和激光输出镜；

5、s2、泵浦源输出的泵浦光经过准直聚焦系统准直后，透过折叠镜和激光输入镜后聚焦到ho3+掺杂激光晶体上，对ho3+掺杂激光晶体进行泵浦；

6、s3、使用2μm波段激光源输出2μm波段激光，经折叠镜反射和激光输入镜透过后进入谐振腔中并经过ho3+掺杂激光晶体，3μm中红外激光在谐振腔内形成振荡，使用第一分光镜和第二分光镜将泵浦光、2μm波段激光和3μm波段激光分开，输出2μm波段激光和3μm波段激光；

7、或，s3、使用2μm波段激光源输出2μm波段激光，经第一分光镜和激光输出镜透过后进入谐振腔中并依次经过ho3+掺杂激光晶体、激光输入镜、折叠镜后输出；同时，3μm波段激光在由激光输入镜和激光输出镜构成的谐振腔内形成振荡；输出的3μm波段激光使用第二分光镜与泵浦光分开。

8、优选的，所述谐振腔为线性腔v型腔或z型腔，腔型结构满足模式匹配条件。

9、优选的，所述泵浦源为半导体激光器、固体拉曼激光器或光纤拉曼激光器，所述泵浦源的工作波长为1120-1160nm。

10、优选的，所述ho3+掺杂激光晶体为ho3+掺杂氟化物晶体、倍半氧化物晶体或石榴石晶体，ho3+掺杂浓度为0.5-2at％。由于晶体能级上粒子数分布和能级寿命受ho3+离子掺杂浓度、晶体基质材料等的影响，因此，通过优化ho3+离子掺杂浓度、晶体基质材料和长度等参数，来实现3μm中红外激光输出。

11、优选的，所述2μm波段激光源为半导体激光器、固体激光器或光纤激光器，所述2μm波段激光源的中心波长为1950-2200nm。

12、优选的，所述折叠镜的使用角度为45°镀有泵浦光增透膜和2μm波段激光高反射膜，泵浦光增透膜对泵浦光的透过率大于98％，2μm波段激光高反射膜对2μm波段激光的反射率大于99％。

13、优选的，所述激光输入镜镀有泵浦光、2μm波段激光源的增透膜和3μm波段激光的高反射膜，增透膜对泵浦光和2μm波段激光源的透过率大于95％，高反射膜对3μm波段激光的反射率大于99.8％。

14、优选的，所述激光输出镜镀有对3μm波长的部分透射膜，同时高透2μm波段激光，对3μm波长的透过率为2-40％，对2μm波段激光透过率＞99％。

15、优选的，所述第一分光镜对2μm波段激光45°高反，对泵浦光和3μm波段激光高透。

16、优选的，所述第二分光镜对泵浦光45°高反、对3μm波段激光高透，或对泵浦光高透、对3μm波段激光45°高反。

17、优选的，所述激光输入镜、激光输出镜、第一分光镜和第二分光镜的材质为氟化钙晶体或znse晶体。氟化钙晶体和znse晶体对2μm和3μm中红外激光透过率高，实现谐振腔的正反馈和选模的作用。

18、上述本发明的一种或多种技术方案取得的有益效果如下：

19、本发明利用1150nm激光器泵浦ho3+掺杂激光晶体，同时导入2μm波段激光抽运3μm激光下能级5i7粒子数，通过2μm波段激光调控3μm激光上、下能级粒子数，实现3μm有效粒子数反转，同时还可以对导入的2μm激光放大，产生双波长激光输出，有效的解决了ho掺杂激光晶体3μm波段激光跃迁自终至的难题。

20、本发明可以实现2μm和3μm的同时输出，由于2μm激光有显著的止血功能，同时水对3μm激光吸收系数比在1μm波段高4个数量级，在外科手术方面手术方面可以将止血和切割有效的融合在一起，具有潜在应用价值。

21、通过优化ho3+离子掺杂浓度、晶体基质、长度等参数以及谐振腔结构，可实现高功率、高效率、高光束质量3μm激光输出。