一种准三能级激光器波长控制方法

1.本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种基于多棒谐振腔的准三能级激光器波长控制方法。


背景技术：

2.准三能级全固态激光器是激光器的一个重要分类，相关的激光晶体种类丰富，输出激光波段覆盖广泛，其中最常见的是掺杂er、tm、ho等激活粒子的硼酸盐、钨酸盐、钒酸盐等激光晶体，输出激光波长基本位于1.4μm～3μm波段，对应人眼安全波段，光纤与大气传输的低损耗传输窗口，铟镓砷光电探测器的探测灵敏区，以及羟基磷石灰石的强吸收波段等，因此这类光源在量子光学和原子物理、光学探测器件、激光医疗、光纤通信、人眼安全激光测距等领域均有重要的应用需求。
3.原子俘获、精密光谱、光纤通信等都需要对激光波长进行精密的调控。但是，由于基于晶体介质的准三能级激光系统的净增益截面光谱的峰值波长会在激光工作参数改变时发生显著的跳变，导致这类准三能级激光器的波长连续调节范围极小且控制精度低。
4.因此，本领域亟需一种能够连续调控准三能级激光器输出波长的技术方案。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种准三能级激光器波长控制方法，通过选用两块或两块以上的激光晶体作为增益介质，基于对所有激光晶体的组合净增益截面的调控，实现对准三能级激光器输出波长的连续精密控制，解决了现有技术中准三能级激光器的波长连续调节范围极小且控制精度低的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种准三能级激光器波长控制方法，所述方法包括：
8.获取目标波长以及所需的调谐范围；
9.选取受激辐射谱带宽范围涵盖所述目标波长的晶体，得到若干个备选增益介质；所述若干个备选增益介质用于放置于激光器中；
10.对于每一备选增益介质，将不同晶体条件进行排列组合，得到每一备选增益介质对应的p种条件组合；每种条件组合包括：每个备选增益介质的温度、每个备选增益介质的掺杂浓度、每种谐振腔腔镜的镀膜参数以及施加于每个备选增益介质的泵浦功率；
11.选取各备选增益介质对应的任一种条件组合进行组合，得到q个晶体组合条件；
12.计算在每一晶体组合条件下激光器的净增益谱g
net
(λ)，并确定所述激光器的净增益谱g
net
(λ)对应的激光波长，得到q个晶体组合条件下的q种激光波长；
13.搜索q种激光波长中与所述目标波长最接近的激光波长λi，并确定对应的晶体组合条件i；
14.更改所述晶体组合条件i中的“施加于每个备选增益介质的泵浦功率”这一条件，保持其余条件不变，构建激光波长λi与施加于每个备选增益介质的泵浦功率变化的对应变
化数组；
15.将所述若干个备选增益介质放入激光器中，并根据所述对应变化数组调控施加于每个备选增益介质的泵浦功率，从而调控激光器输出激光波长。
16.在一些实施例中，所述计算在每一晶体组合条件下激光器的净增益谱g
net
(λ)，并确定所述激光器的净增益谱g
net
(λ)对应的激光波长，得到q个晶体组合条件下的q种激光波长，具体包括：
17.测量每个所述备选增益介质在不同掺杂浓度α、不同温度t下的受激辐射截面σ
em
(α,t)与受激吸收截面σ
abs
(α,t)；
18.利用每个所述备选增益介质在不同掺杂浓度α、不同温度t下的受激辐射截面σ
em
(α,t)与受激吸收截面σ
abs
(α,t)计算每个所述备选增益介质的增益截面光谱g(λ,α,t)；
19.获取激光器谐振腔腔镜的镀膜参数δ(λ)；
20.利用若干个所述备选增益介质的增益截面光谱g(λ,α,t)和所述镀膜参数δ(λ)计算谐振腔内有若干个所述备选增益介质时激光器的净增益谱g
net
(λ)，并确定所述激光器的净增益谱g
net
(λ)对应的激光波长；
21.遍历所有晶体组合条件，得到q个晶体组合条件下的q种激光波长。
22.在一些实施例中，所述利用每个所述备选增益介质在不同掺杂浓度α、不同温度t下的受激辐射截面σ
em
(α,t)与受激吸收截面σ
abs
(α,t)计算每个所述备选增益介质的增益截面光谱g(λ,α,t)，具体包括：
23.利用每个所述备选增益介质在不同掺杂浓度α、不同温度t下的受激辐射截面σ
em
(α,t)与受激吸收截面σ
abs
(α,t)，根据增益截面光谱计算公式，计算每个所述备选增益介质的增益截面光谱g(λ,α,t)；所述增益截面光谱计算公式为g(λ,α,t)＝βσ
em
(α,t)-(1-β)σ
abs
(α,t)，其中，g(λ,α,t)表示增益截面光谱，λ为激光波长，β为布居反转比例因子。
24.在一些实施例中，所述利用若干个所述备选增益介质的增益截面光谱g(λ,α,t)和所述镀膜参数δ(λ)计算谐振腔内有若干个所述备选增益介质时激光器的净增益谱g
net
(λ)，具体包括：
25.利用若干个所述备选增益介质的增益截面光谱g(λ,α,t)和所述镀膜参数δ(λ)，利用净增益谱计算公式，计算谐振腔内有若干个所述备选增益介质时激光器的净增益谱g
net
(λ)；所述净增益谱计算公式为：g
net
(λ)＝n1*g1(λ,α1,t1)/n1 n2*g2(λ,α2,t2)/n2
…
nm*gm(λ,αm,tm)/n
m-δ(λ)/l；其中，g1(λ,α1,t1)表示第一个备选增益介质的增益截面光谱，gm(λ,αm,tm)表示第m个备选增益介质的增益截面光谱，nm表示第m个备选增益介质的折射率，l表示谐振腔的腔长。
26.在一些实施例中，所述施加于每个备选增益介质的泵浦功率为功率可独立控制的泵浦光。
27.在一些实施例中，所述若干个备选增益介质用于放置于激光器的单个谐振腔中。
28.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
29.本发明提供的准三能级激光器波长控制方法，首先根据目标波长以及所需的调谐范围，选取受激辐射谱带宽范围涵盖所述目标波长的晶体，然后将不同的晶体条件进行组合，并计算每种晶体组合条件下激光器的净增益谱以及对应的激光波长，在得到的激光波长中选取与目标波长最接近的激光波长，以该激光波长对应的晶体组合条件为研究对象，
构建激光波长λi与施加于每个备选增益介质的泵浦功率变化的对应变化数组，最后将若干个备选增益介质放入激光器中，并根据所述对应变化数组调控施加于每个备选增益介质的泵浦功率，从而调控激光器输出激光波长。本发明通过选用两块或两块以上的激光晶体作为增益介质，基于对所有激光晶体的组合净增益截面的调控，实现对准三能级激光器输出波长的连续精密控制，由于每一块晶体与其它任意一块晶体互为受激辐射器和激光放大器，因此整个激光系统的组合净增益截面光谱是每一块激光晶体的净增益截面光谱的线性叠加，从而有效解决了现有技术中准三能级激光器的波长连续调节范围极小且控制精度低的问题。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明实施例一提供的准三能级激光器波长控制方法流程图。
32.图2-5为本发明实施例一提供的不同种类的多棒谐振腔的结构示意图。
33.图6为本发明实施例一提供的单块er,yb:yab晶体的σ偏振净增益谱示意图。
34.图7为本发明实施例一提供的单块er:sr3yb(bo3)3晶体的σ偏振净增益谱示意图。
35.图8为本发明实施例一提供的线性叠加两块晶体的组合净增益谱示意图。
36.符号说明：1-泵浦源，2-泵浦光整形透镜组，3-输入镜，4-激光增益介质，5-输出镜，6-腔镜。
具体实施方式
37.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，所描述的实施例仅仅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做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。
38.本发明的目的是提供一种准三能级激光器波长控制方法，通过选用两块或两块以上的激光晶体作为增益介质，基于对所有激光晶体的组合净增益截面的调控，实现对准三能级激光器输出波长的连续精密控制，解决了现有技术中准三能级激光器的波长连续调节范围极小且控制精度低的问题。
39.准三能级激光系统区别于四能级激光系统的一个主要特点是激光下能级为基态的一个子能级。因此，激光下能级的布居数密度不可忽略，且布居数反转比例因子β(被激发至激光上能级的粒子数占基态总粒子数的比例)随泵浦激光功率密度、激光晶体温度、输出耦合镜透射率等参数变化。由于净增益截面光谱是β因子的函数，这导致基于晶体介质的准三能级激光系统的净增益截面光谱的峰值波长(对应最大的净增益截面，在激光辐射过程中优先起振)会在激光工作参数改变时发生显著的跳变，相比之下，四能级激光系统的净增益截面光谱的峰值波长在激光工作参数改变时只会有微小的连续移动。基于上述原理，一部分研究者提出了改变泵浦功率以及更换不同透射率的输出耦合镜的方法，实现准三能级
激光器波长跳变。但是该方法可实现的波长连续调节范围极小，控制精度低，重复性差。
40.针对上述问题，本发明提出一种可以在不更换输出耦合镜、不插入额外调谐元件的条件下，实现准三能级激光器输出激光波长的快速、稳定、连续变化范围宽的主动控制方法。本发明的核心为：在单个谐振腔中放置两块或两块以上的激光晶体(晶体的基质和激活粒子的种类，以及激活粒子掺杂浓度可以相同，也可以不同)作为增益介质构建准三能级激光器。将几束功率可独立控制的泵浦光分别注入几块激光晶体，以控制每一块晶体内的布居数反转比例因子β。由于每一块晶体与其它任意一块晶体互为受激辐射器和激光放大器，因此整个激光系统的组合净增益截面光谱是每一块激光晶体的净增益截面光谱的线性叠加。通过多参数调控，最终可实现组合净增益截面光谱的峰值波长的精细调控，进而实现准三能级激光器输出激光波长的精密控制。
41.本发明适用于准三能级激光系统，每一块激光晶体的增益截面谱均为由近似准连续的多峰结构，因此线性叠加之后的组合净增益谱可以实现峰值波长的连续调节。本发明涉及的方法在调控各个激光晶体的增益谱并叠加后，生成的组合净增益谱存在一个具有绝对增益优势的波长，因此可实现单纵模激光振荡。
42.现有的准三能级固态激光器所使用的波长控制与调谐技术主要包括以下三种：(1)利用双折射滤光片、标准具等干涉元件选择特定波长激光在谐振腔内共振，这类调谐方式受热效应与自身温度影响较大；用基于压电效应的压电陶瓷和利用基于电光效应的电光晶体通过调节谐振腔的长度来改变谐振腔的本征频率，调谐范围较窄，只有ghz量级。(2)更换不同透射率的输出耦合透镜，可以影响受谐振腔内受激粒子数的消耗速率从而改变受激粒子数占总粒子数的比例，通过改变增益谱改变输出激光的波长，但是输出耦合镜的透射率与镜片镀膜相关，不能连续调节，每一次更换输出耦合镜后都需对激光器的谐振腔进行重新调整，实际使用中受限于调试时间与镀膜成本。(3)改变泵浦功率密度的方法是通过直接改变晶体内的布居数反转比例因子β引起增益介质的增益谱变化。但是在使用单个晶体作为激光器的增益介质的条件下，由于β因子的变化范围有限，导致波长可调节范围较小，且激光器的运转功率与输出波长的相关，是一种被动的波长调谐方式。
43.总之，上述三种常用方法一般难以同时满足对准三能级激光器的输出波长进行宽范围、快速、准确调控的需求。本发明的目的是提供一种可以无需更换输出耦合镜、波长选择不受泵浦功率制约、波长选择范围宽，在不插入其它调谐元件条件下实现准三能级激光器输出激光波长的快速、稳定、连续的主动控制方法。该方法与上述三种方法相比具有难度低、激光损耗低、快速调谐、成本低廉、主动选择等优势。
44.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
45.实施例一：
46.请参阅图1，本实施例提供了一种准三能级激光器波长控制方法，该方法包括：
47.s1、获取目标波长以及所需的调谐范围；
48.s2、选取受激辐射谱带宽范围涵盖所述目标波长的晶体，得到若干个备选增益介质；所述若干个备选增益介质用于放置于激光器的单个谐振腔中；
49.根据目标波长以及所需的调谐范围，选择受激辐射谱带宽范围涵盖目标波长的晶体作为谐振腔的备选增益介质，这些晶体可以具有不同类型的基质(例如目标波长范围为
1500nm-1600nm，已知常温下er,yb:yab晶体的受激辐射光谱范围为1450nm-1650nm、er,yb:lps晶体的受激辐射光谱范围为1450nm-1640nm，二者的光谱范围均完全覆盖了目标波长范围，因此可选择这两种不同基质的晶体作为激光增益介质)、不同的激活粒子掺杂浓度，(例如er掺杂浓度为1.1％的er,yb:yab晶体与er掺杂浓度为1.5％的er,yb:yab晶体)。
50.s3、对于每一备选增益介质，将不同晶体条件进行排列组合，得到每一备选增益介质对应的p种条件组合；每种条件组合包括：每个备选增益介质的温度、每个备选增益介质的掺杂浓度、每种谐振腔腔镜的镀膜参数以及施加于每个备选增益介质的泵浦功率。
51.s4、选取各备选增益介质对应的任一种条件组合进行组合，得到q个晶体组合条件。
52.s5、计算在每一晶体组合条件下激光器的净增益谱g
net
(λ)，并确定所述激光器的净增益谱g
net
(λ)的最大值对应的变量λ即为对应的预期输出激光波长，得到q个晶体组合条件下的q种激光波长。激光器输出波长根据理论计算所使用增益介质的组合净增益谱进行预期，与增益介质的种类、基质类型、激活粒子掺杂浓度、数量、长度、工作温度、注入增益介质的泵浦功率、输出耦合镜透射率等参数有关。根据激光器的净增益谱公式g
net
(λ,α,t)＝n*g(λ,α,t)/n-δ(λ)/l，其函数图像的横坐标为激光波长，净增益光谱中的最大值g
net
(λ,α,t)
max
对应的横坐标λ，即激光器的输出波长。具体步骤如下：
53.s51、测量每个所述备选增益介质在不同掺杂浓度α、不同温度t下的受激辐射截面σ
em
(α,t)与受激吸收截面σ
abs
(α,t)；
54.s52、利用每个所述备选增益介质在不同掺杂浓度α、不同温度t下的受激辐射截面σ
em
(α,t)与受激吸收截面σ
abs
(α,t)，根据增益截面光谱计算公式，计算每个所述备选增益介质的增益截面光谱；所述增益截面光谱计算公式为g(λ,α,t)＝βσ
em
(α,t)-(1-β)σ
abs
(α,t)，其中，g(λ,α,t)表示增益截面光谱，λ为激光波长，β为布居反转比例因子(被泵浦光激发至激发态能级的激活粒子占增益介质中总粒子数的百分比)。β与泵浦光功率成正相关，且0《β《1，所以可以通过控制注入晶体的泵浦功率调节β，进而实现对增益截面光谱的调控。
55.s53、获取激光器谐振腔腔镜的镀膜参数δ(λ)。谐振腔的主要损耗的波长依赖性取决于腔镜的镀膜参数δ(λ)，δ(λ)为已知函数。则激光器的净增益谱可通过g
net
(λ,α,t)＝n*g(λ,α,t)/n-δ(λ)/l得到,n为激活粒子的粒子数密度，由其掺杂浓度所决定。激活粒子是增益介质中起到增益作用(激光辐射依赖于该粒子)的掺杂离子，例如er,yb:yab晶体，其激活粒子即为er离子。根据模式竞争原理，净增益谱g
net
(λ,α,t)的峰值对应的激光波长会优先起振。当谐振腔内有多块增益介质时，激光器的净增益谱为：g
net
(λ)＝n1*g1(λ,α1,t1)/n1 n2*g2(λ,α2,t2)/n2
…
nm*gm(λ,αm,tm)/n
m-δ(λ)/l；其中，g1(λ,α1,t1)表示第一个备选增益介质的增益截面光谱，gm(λ,αm,tm)表示第m个备选增益介质的增益截面光谱，nm表示第m个备选增益介质的折射率，l表示谐振腔的腔长。
56.s54、遍历所有晶体组合条件，得到q个晶体组合条件下的q种激光波长。
57.s6、搜索q种激光波长中与所述目标波长最接近的激光波长λi，并确定对应的晶体组合条件i，包括使用的激光晶体的数量及每一块晶体的掺杂浓度、每一块激光晶体的控温温度，以及输出镜透射率与内腔损耗等。
58.s7、更改所述晶体组合条件i中的“施加于每个备选增益介质的泵浦功率”这一条件，保持其余条件不变，构建激光波长λi与施加于每个备选增益介质的泵浦功率变化的对
应变化数组，得到激光器的调谐范围。
59.s8、将所述若干个备选增益介质放入激光器的单个谐振腔中，并根据所述对应变化数组调控施加于每个备选增益介质的泵浦功率，从而调控激光器输出激光波长。
60.根据前述步骤所确定的晶体温度、掺杂浓度等参数和谐振腔参数值，选择实验材料、搭建激光谐振腔并设定相关实验参数。实验过程根据步骤s6选出的晶体组合条件i中的备选增益介质的数量、类型、掺杂浓度，以及输出镜透射率等参数，准备相应的激光晶体和光学镜片，然后搭建激光谐振腔。通过机械对准等方法调试激光器出光。在此基础上，通过控温仪、由热敏电阻和热电制冷器、水冷热沉等组成的晶体炉(放置晶体的装置)将每一块激光晶体控制在条件i选定的温度参数。本实施例中激光晶体即选择加入激光器中的备选增益介质。
61.最后，根据步骤s7得到的对应变化数组，通过程序或手动方式直接控制泵浦源来调控注入每一块晶体的泵浦光功率大小，实现对输出激光波长的精确操控。所述施加于每个备选增益介质的泵浦功率为功率可独立控制的泵浦光。
62.本实施例中的激光器是基于多棒谐振腔的，适用本实施例的多棒谐振腔的系统装置如图2-5所示，根据谐振腔腔型不同，可分为环形腔(图2、图5)、z形腔(图3)、v形腔(图4)。其中，输入镜3、激光增益介质4、输出镜5、腔镜6构成谐振腔。每一个激光增益介质4均有对应的泵浦源1和泵浦光整形透镜组2。泵浦源1输出泵浦光由泵浦光整形透镜组2汇聚于激光增益介质4中心，在由输入镜3与输出镜5构成的谐振腔中激发激光振荡，通过分别调节两个泵浦源1的泵浦功率改变注入两侧增益介质的泵浦功率密度，控制两侧激光增益介质4的净增益光谱组合，从而实现激光器的波长调节，本实施例中的激光增益介质4即若干个上文中提及的激光晶体。
63.作为一种具体的实施方式，按照如图2所示的示意图搭建激光器。实验条件为：泵浦源采用两台中心波长为976nm的激光二极管；激光增益介质5采用两块尺寸为3
×3×
1.5mm3、er
3
离子掺杂浓度为1.45at.％的er:sr3yb(bo3)3晶体与一块沿a轴切割、尺寸为3
×3×
1.5mm3、er
3
离子掺杂浓度为1.5at.％、yb
3
离子掺杂浓度为11at.％的er；yb:yab晶体；单向器6由big磁光晶体与半波片组成；输出镜10采用t＝2.5％@1.5μm的平面镜；输入镜4采用曲率半径为100mm，ht@976nm&&hr@1.5μm平凹镜；标准具用于进行精细的波长调谐。谐振腔的腔长为510mm。单块er,yb:yab晶体的σ偏振净增益谱如图6所示，单块er:sr3yb(bo3)3晶体的σ偏振净增益谱如图7所示。线性叠加两块晶体的净增益谱，通过控制改变注入两块晶体的泵浦功率控制晶体各自的布居数反转比例因子β，组合净增益谱得到如图8所示的结果，激光器的输出波长可以在1533nm、1542nm、1557nm、1570nm、1584nm和1602nm之间进行快速选择。
64.本实施例提供的方法适用于任意准三能级激光系统，包括但不限于1微米掺镱固体激光器、1.5微米掺铒固体激光器、2.7微米和2.9微米掺铒固体激光器、2微米的掺铥固体激光器等。该方法中控制输出激光波长的参数包括但不限于增益介质的组合方式(即增益介质的数量、每一块增益介质的激活粒子与基质类型、激活粒子掺杂浓度、数量、长度等)、每一块增益介质各自的工作温度、注入增益介质的泵浦功率、输出耦合镜透射率等。该方法可以结合其它辅助波长选择调谐方式一同使用，包括但不限于使用内腔标准具、内腔双折射滤波片，以及使用压电陶瓷、压电效应晶体等控制谐振腔长度的元件辅助调谐波长。该方
法可应用于脉冲激光器和连续波激光器。该方法可应用于采用侧面泵浦、端面泵浦或多端面泵浦等不同泵浦方式的全固态激光器。该方法可应用于四镜8字环形腔，六镜环形腔等不同腔型的行波腔激光器，条形腔、v形折叠腔、l形折叠腔和z形折叠腔等不同腔型的驻波腔激光器。
65.本实施例提供的准三能级激光器波长控制方法，与现有的技术方案相比有以下优点：
66.1.在单一谐振腔使用中多块参数相同或不同的激光晶体作为增益介质，通过选择晶体组合方式以及各自的实验参数设置，可以获得相较于单一晶体更丰富的净增益谱组合，实现带宽可调谐的准三能级激光输出。
67.2.激光器谐振腔采用多端泵浦方式，通过分别调节注入各个增益介质的泵浦光功率、各个增益介质的工作温度等参数控制各个增益介质内布居数反转比例因子β，直接、快速地改变净增益谱，无需更换谐振腔内的元件。该调节方法快速简单、易于操作、成本较低。
68.3.不同泵浦功率下的激光波长是可以通过基于激光晶体的光谱性质以及相关实验参数理论建模进行预期的，该方法可以主动选择激光波长、波长调节更灵活、输出激光波长不受功率制约。
69.4.无需在谐振腔内插入调谐装置，传统调谐元件会限制调谐带宽，而且对激光存在偏折与吸收，导致谐振腔内振荡激光的功率降低，但是多个晶体在谐振腔内作为增益介质对于振荡激光具有功率放大的作用。
70.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。