[0001] 本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种高效率获取中红外脉冲激光的方法及系统。

[0002] 由于覆盖大气的重要传输窗口，高重复频率、高平均功率的中红外(例如3μm)激光在环境监测、国家安全以及医学诊断和治疗等方面都有重要的应用，是当前急需发展的关键技术。

[0003] 目前固体激光技术领域实现中红外(例如3μm)激光的主要方法有光学参量振荡器、光纤激光器和全固态激光器。其中最为成熟的是光学参量振荡器，由于它不涉及粒子数反转的问题，因此可以实现室温下的中红外激光输出，但其获得的中红外激光属于闲置光，转换效率低，并且其结构复杂，可操作性能差。光纤激光器材质容易断裂，损伤阈值低，不利于储能，加上可供中红外波段激光选择的基质较少，因此，光纤激光器不利于中红外(例如3μm)激光运转，尤其大能量激光的输出。

[0004] 全固态激光器产生中红外(例如3μm)激光虽然起步较早，但是技术发展缓慢，效率低下。这一方面是由于近红外的短波泵浦光转换为中红外的长波激光本身量子效率低。另3+ 3+ 3+
一方面，目前能直接产生中红外(例如3μm)波段激光的激活离子(如Er 、Ho 、Dy )均属于
3+
三能级结构，它们的激光下能级粒子寿命普遍较长，通常长于激光上能级粒子寿命。以Ho
5 5
为例，其激光下能级I7寿命比激光上能级 I6寿命长～(约)14ms，这会使中红外(例如3μm)激光实现粒子数反转的难度大大增加，大幅度提高泵浦阈值，从而影响转换效率。同时由于目前3μm激光缺少成熟可靠的Q调制开关，以及1150nm波长的半导体激光泵浦源尚不成熟，因此采用传统的Q开关调制技术或者泵浦的方式都很难获得高效率3μm脉冲激光输出。

[0005] 因此，实现高效率的中红外固体脉冲激光输出依然是目前急需解决的技术难题。

[0026] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0027] 需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示对本发明结构的说明，仅是为了便于描述本发明的简便，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0028] 对于本技术方案中的“第一”和“第二”，仅为对相同或相似结构，或者起相似功能的对应结构的称谓区分，不是对这些结构重要性的排列，也没有排序、或比较大小、或其他含义。

[0029] 另外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个结构内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据本发明的总体思路，联系本方案上下文具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0030] 实施例一

[0031] 一种高效率获取中红外脉冲激光的方法，该方法应用于全固态中红外激光器，用于减少中红外脉冲激光的损耗，降低泵浦阈值，从而提高泵浦激光的转换效率，以及提高稳定性。

[0032] 其中，全固态中红外激光器包括泵浦光源和激光增益介质，其中，激光增益介质中5 5
包括有激活离子，激活离子中的粒子具有中红外激光上能级(I6)、中红外激光下能级(I7)
5
和基态能级(I8)共3个能级，泵浦光源用于发出近红外波段的泵浦激光，该泵浦激光则用于
5 5 5 5
将处于I8能级上的粒子抽运到I6能级，以便于粒子从I6能级向 I7能级跃迁时产生中红外
5 5 3+
激光。但是，由于粒子在I7能级上的寿命比在I6能级寿命长，以激活离子Ho 举例，上述寿命分别为～16ms和～2ms，这使得现有的全固态中红外激光器实现粒子数反转的难度大大增加，从而导致泵浦阈值提高，影响泵浦激光转换为中红外激光的效率。另外，由于现有技术中红外脉冲激光缺少成熟的Q开关，因此中红外脉冲激光也难以获得稳定输出。

[0033] 基于此，本实施例的方法包括有：

[0034] 在全固态中红外激光器通过接收泵浦光源发出的泵浦激光而输出中红外激光的过程中，向激光增益介质输入调制激光；其中，调制激光一方面配置为呈周期性变化的脉冲5 5
信号激光，另一方面，调制激光的波长与粒子从中红外激光下能级(I7)向基态能级(I8)跃迁时产生的激光的波长相匹配。

[0035] 如此设置，通过引入调制激光，并使该调制激光的波长与粒子从中红外激光下能5 5
级(I7)向基态能级(I8)跃迁时产生的激光的波长相匹配，从而使得处于中红外激光下能
5 5
级(I7)上的粒子受激辐射，大大缩短了粒子在中红外激光下能级(I7)上的寿命，有利于实
5
现中红外激光的粒子数反转，使处于中红外激光上能级(I6)上的粒子能够更加有效地受激
5
辐射而跃迁到中红外激光下能级(I7)，进而产生与调制激光同步的中红外激光，从而解决传统中红外固体激光技术中存在的中红外激光损耗大、泵浦阈值高、转换效率低的问题。

[0036] 例如，当激活离子为Ho3+时，向激光增益介质输入波长为1150nm的泵浦激光后，处5 5 5 5
于I8能级上的基态粒子被抽运到I6能级上，而粒子从I6能级向 I7能级跃迁时产生的中红
5 5
外激光波长为2.9μm(即3微米中红外激光)，粒子从I7能级向 I8能级跃迁时产生的激光波长为～2μm，如图1所示。因此，将波长为～2μm(1900nm‑2200nm，即频率相近)的调制激光一
5 5
同输入到激光增益介质中后，由于其波长与粒子从 I7能级向I8能级跃迁时产生的激光的
5
波长匹配，因此在频率相匹配的情况下，引起I7能级上粒子产生受激辐射，从而起到了对
5
I7能级的上粒子调制的作用，间接减少了波长2.9μm的激光的损耗，从而实现低阈值、高效率的2.9μm激光输出。

[0037] 可以理解的是，在其他优选实施例中，通过更换激活离子的类型，并重新选择泵浦激光和调制激光波长后，同样能够实现低阈值、高效率的其他波长的中红外激光输出。

[0038] 另外，如图2所示，其展示了脉冲信号调制激光下掺钬2.9μm激光的建立过程示意5 5
图，由于调制激光的波长与粒子从 I7能级向I8能级跃迁时产生的激光的波长基本相当，使
5
得中红外激光下能级(I7)粒子数n1i被脉冲信号调制激光的粒子数n2周期性调制，调制后的
5
中红外激光下能级(I7)粒子数n1t周期性减少，这相当于增加了中红外激光的反转粒子数，减少了损耗，从而减少中红外激光的泵浦阈值，产生低阈值、高效率的中红外激光输出，如图2中的中红外激光粒子数Δn所示。

[0039] 并且从图2中可见，最终获得的中红外激光的周期性变化规律与调制激光的周期性变化规律相同，因此可通过输入呈周期性变化的调制激光来获取呈周期性变化的中红外激光。从而绕过了现有技术中红外脉冲激光的调Q技术不成熟的问题。

[0040] 实施例二

[0041] 一种高效率获取中红外脉冲激光的系统，如图3所示，包括全固态中红外激光器和调制激光器。全固态中红外激光器用于输出中红外激光，调制激光器用于输出呈周期性变化的调制激光，而调制激光则用于周期性地对中红外激光下能级的粒子数进行调制，从而减少中红外激光的损耗，以获得高效率、高功率中红外脉冲激光输出。

[0042] 其中，全固态中红外激光器包括沿光路传播路径依次布置的泵浦光源3.1、准直透镜3.2、聚集透镜3.3、前腔镜3.4、激光增益介质3.8和后腔镜3.9。通常，激光增益介质3.8的上、下两个侧壁分别上布置有微通道冷却热沉，例如通水冷却的微通道紫铜上热沉3.6和微通道紫铜上热沉3.7。

[0043] 激光增益介质3.8中包括激活离子，例如激活离子为Ho3+，该激活离子中的粒子具5 5 5
有中红外激光上能级(I6)、中红外激光下能级(I7)和基态能级(I8)，相应的，激光增益介
3+
质3.8则配置为掺Ho 的激光晶体，该激光晶体的基质通常为低声子能量的氟化物或倍半氧化物。泵浦光源3.1则用于发出泵浦激光，泵浦激光的波长处于激光增益介质3.8的吸收峰内，例如泵浦光源3.1配置为中心波长在1150nm的半导体激光器，其发出的泵浦激光具体用
5 5
于将处于基态能级(I8)上的粒子抽运到中红外激光上能级(I6)，以便于粒子从中红外激
5 5
光上能级(I6)向中红外激光下能级(I7)跃迁时产生中红外(2.9μm)激光，并且粒子还会从
5 5
中红外激光下能级(I7)向基态能级(I8)跃迁从而产生其他波长的激光(3.9μm)。

[0044] 然而，由于粒子在5I7能级上的寿命(～16ms)比在5I6能级寿命(～2ms)长～14ms，这就使得现有的全固态中红外激光器实现粒子数反转的难度大大增加，从而导致泵浦阈值提高，影响泵浦激光转换为中红外激光的效率。

[0045] 基于此，本实施例配置调制激光器3.10用于输出波长为～2μm的调制激光，例如3.9μm，该调制激光与上述的泵浦激光经合束装置3.5合束后共同输入激光增益介质中，如
5 5 5
此使得粒子在从I7能级向 I8能级跃迁时产生受激辐射放大，从而起到了对I7能级的上粒子调制的作用，间接减少了波长2.9μm的激光的损耗，从而实现低阈值、高效率的2.9μm激光输出。其中，配置合束装置3.5为平面反射镜，平面反射镜布置在前腔镜3.4与激光增益介质
3.8之间，使其与泵浦激光呈45°倾斜布置，同时配置该平面发射镜对泵浦激光高透、对调制激光高反。并且在调制激光器3.10与合束装置3.5之间还设置有起到聚焦作用的平凸透镜
3.11。

[0046] 可以理解的是，还通过由前腔镜3.4和后腔镜3.9组成的谐振腔对波长2.9μm附近激光进行选模，其中，前腔镜3.4镀对泵浦波长1150nm的高透膜和对激光2.9μm的高反膜，后腔镜3.9镀对泵浦光波长1150nm的高反膜和对激光2.9μm的部分透过膜以及～2μm的高透膜。

[0047] 本实施例中，具体配置调制激光器3.10为全固态激光器，如图4所示，为了实现～2μm脉冲激光的输出，采用中心波长792nm的半导体激光器作为泵浦源A4.1，其中心波长处于激光增益介质A4.7的吸收峰内，经过准直透镜A4.2和聚焦透镜A4.3耦合到激光增益介质3+ 3+ 3+
A4.7中。激光增益介质A4.7为Tm 与Ho 共掺或者单掺Tm 的激光晶体，并且由微通道紫铜上热沉A4.5和微通道紫铜下热沉A4.6通水冷却。激光谐振腔由前腔镜A4.4和后腔镜A4.9组成，用以对～2.0μm附近激光进行反馈并且选模，产生特定波长的激光，其中前腔镜A4.4镀泵浦光波长792nm的高透膜和激光～2.0μm的高反膜，后腔镜A4.9镀泵浦光波长792nm的高反膜和激光～2.0μm的部分透过膜。Q开关A4.8放在谐振腔中，其主要作用是对连续激光进行调制，产生～2.0μm调Q激光输出，Q开关A4.8可以选择声光Q开关，也可以选择可饱和吸收体，其中声光Q开关的方式可以确定脉冲激光的重复频率，并能产生高峰值功率的脉冲激光调制，可饱和吸收体的方式可以实现低成本紧凑型脉冲激光调制。

[0048] 如此设置，不但能够解决传统中红外固体激光技术中存在的中红外激光损耗大、泵浦阈值高、转换效率低的问题；并且，当调制激光为脉冲信号激光时，输出的中红外激光也为脉冲激光，且与调制激光呈同样频率的周期进行变化，这就能够解决现有技术中，中红外激光器的调Q开关技术不成熟的问题，从另一个方向和角度获得中红外脉冲激光。

[0049] 实施例三

[0050] 其与实施例二的区别在于：本实施例中，配置调制激光器3.10为光纤激光器，如图5所示，为了实现～2μm光纤脉冲激光的输出，采用中心波长为792nm的半导体激光器作为泵浦源B5.1，其中心波长位于增益光纤5.4的吸收峰内，经过2×1光纤合束器5.3进入到增益光纤5.4中。增益光纤5.4是掺铥或铥钬共掺单模光纤，纤芯直径10μm，数值孔径NA为0.09，光纤外径直径为130μm。高反光纤光栅5.2和低反光纤光栅5.6起到谐振腔激光振荡和选模的作用。其中高反光纤光栅5.2为中心波长为～2μm的高反光栅，反射率>99％，‑3dB带宽
1nm，超模抑制比>10dB，起到谐振腔前腔镜的作用；低反光纤光栅5.6为中心波长为～2μm的低反光栅，反射率为10％，‑3dB带宽1nm，超模抑制比>10dB，起到谐振腔输出镜的作用。光纤合束器5.3将792nm泵浦光和1960nm激光耦合到增益光纤5.4的纤芯中。Q开关B5.5为光纤耦合声光调制器，镀～2μm激光增透膜，用来对～2μm连续激光进行调制产生调Q脉冲激光。

[0051] 以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。