CN110582902A

CN110582902A - 二极管泵浦激光器的无源q开关

Info

Publication number: CN110582902A
Application number: CN201880029086.7A
Authority: CN
Inventors: 萨曼·诺奇; 丹尼尔·塞巴格
Original assignee: Jerusalem Institute Of Technology
Current assignee: Jerusalem Institute Of Technology
Priority date: 2017-04-02
Filing date: 2018-04-02
Publication date: 2019-12-17
Also published as: EP3607620A4; WO2018185757A1; US10978850B2; US20200036155A1; EP3607620A1; IL251520A0

Abstract

公开了一种激光器系统，包括：激光器腔；增益介质、泵浦、可饱和吸收体(SA)；第一镜和第二镜；其中激光光束在增益介质内的面积与激光光束在SA内的面积的比率大于1，并且其中光束在增益介质上产生增益介质半径斑，并且在可饱和吸收体上产生可饱和吸收体半径斑，使得增益介质上的增益介质半径斑与可饱和吸收体上的可饱和吸收体半径斑之间的比率在1.7‑7的范围内。还公开了一种使用例如用于产生脉冲能量的激光器系统的方法。

Description

二极管泵浦激光器的无源Q开关

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年4月2日提交的以色列专利申请No.251520的优先权的权益。以上文件的内容通过引用整体并入本文，如同在此完整阐述。

技术领域

本发明涉及激光器Q开关领域。

背景技术

Q开关提供了激光测距、非线性研究、医学和其他重要应用所需的短时持续时间光脉冲。与使用电光或声光装置以及电子驱动电路的有源Q开关相比，使用固态可饱和吸收体Q开关的无源Q开关是经济、简单且实用的。与有源方式相比，无源Q开关所固有的优势在于其简单性、可靠性和经济性。

简言之，在低激光强度下，可饱和吸收体(“SA”)在激光波长下通常具有大约20％至50％的高吸收率。激光光线的吸收引起SA的“漂白”(吸收率降低)，这导致激光光线的强度增加。这个过程持续到SA被完全漂白为止。因此，SA用作快门，并且激光器发射通常大约20-80纳秒(“ns”)(10^-9s)的Q开关脉冲，并且取决于激光谐振体的设计，例如，两个镜之间的距离。

相关领域的前述示例和与之相关的限制旨在为说明性的而不是排他性的。通过阅读说明书和研究附图，相关领域的其他限制对于本领域技术人员将变得显而易见。

发明内容

下面的实施方式及其各方面是结合系统、工具和方法来描述和说明的，这些系统、工具和方法是示例性和说明性的，并不限制范围。

根据一个实施方式，提供了一种激光器系统，该激光器系统包括：激光器腔；增益介质，其设置在激光器腔内；泵浦，其被配置为光学地泵浦增益(激光)介质；可饱和吸收体；第一镜，其设置在激光器腔的第一近端处；以及第二镜，其设置在激光器腔的第二近端处；其中：第一镜、第二镜和可饱和吸收体与激光器腔沿着水平轴线设置，可饱和吸收体设置在第二镜与激光器腔之间，该系统配置为沿着水平轴线提供激光光束，使得激光光束在增益介质内的面积与激光光束在可饱和吸收体内的面积的比率大于1，光束在增益介质上产生增益介质半径斑(辐射斑)，并且在可饱和吸收体上产生可饱和吸收体半径斑，以及在增益介质上的增益介质半径斑与在可饱和吸收体上的可饱和吸收体半径斑之间的比率在1.7-7的范围内。

在一些实施方式中，激光光束以红外(IR)光谱的波长为特征。

在一些实施方式中，激光光束以在1800与2650nm的范围内的波长为特征。

在一些实施方式中，激光光束以在1800与2100nm的范围内的波长为特征。

在一些实施方式中，激光光束在激光介质内的面积与激光光束在可饱和吸收体内的面积的比率大于3.5。

在一些实施方式中，SA包括选自由以下材料组成的组：卤化银和硫族化物或其组合。

在一些实施方式中，激光介质包括基本上掺杂有稀土元素的材料。

在一些实施方式中，增益介质包括选自由以下组成的组的晶体：钇铝石榴石(YAG)、铝酸钇(YAP)和氟化钇锂(YLF)。

在一些实施方式中，稀土元素选自由以下组成的组：铥(Tm)、钬(Ho)、铒(Er)或其任意组合。

根据一个实施方式，提供了一种无源Q开关二极管泵浦激光器系统，其包括：增益介质；以及可饱和吸收体，其中，增益介质和可饱和吸收体沿着水平轴线设置，其中，该系统被配置为沿着水平轴线提供激光光束，使得激光光束在增益介质内的面积与激光光束在可饱和吸收体内的面积的比率大于1，其中光束在增益介质上产生增益介质半径斑，并且在可饱和吸收体上产生可饱和吸收体半径斑，并且其中，增益介质上的增益介质半径斑与可饱和吸收体上的可饱和吸收体半径斑之间的比率在1.7-7的范围内。除了上述示例性方面和实施方式之外，通过参考附图并通过研究以下详细描述，其他方面和实施方式将变得显而易见。

根据一个实施方式，提供了一种用于产生脉冲激光光束的方法，该方法包括：(i)提供一种系统，该系统包括：激光器腔；增益介质，其设置在激光器腔内；泵浦源；可饱和吸收体(SA)；第一镜，其设置在激光器腔的第一近端处；第二镜，其设置在激光器腔的第二近端处；(ii)向泵浦源供应电功率以激励增益介质，从而：产生穿过增益介质和SA的激光光束；在增益介质上产生增益介质半径斑；在SA上产生SA半径斑；激光光束透射通过第二镜，从而输出脉冲激光光束；其中：(a)在增益介质内的激光光束面积与在SA内的激光光束面积的比率大于1，并且(b)增益介质半径斑与SA半径斑的比率在1.7-7的范围内。

在一些实施方式中，在增益介质内的激光光束面积与在SA内的激光光束面积的比率大于3.5。

在一些实施方式中，脉冲激光光束以至少1mJ的能量为特征。在一些实施方式中，脉冲激光光束能量在1至10mJ的范围内。

在一些实施方式中，供应1至50瓦特的电功率。

在一些实施方式中，该方法包括步骤(iii)：将输出激光光束聚焦到拉曼增益晶体中。

除非另有定义，否则本文所使用的所有技术和/或科学术语都具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。尽管与本文描述的那些类似或等同的方法和材料可以在本发明的实施方式的实践或测试中使用，但是下面描述了示例性方法、系统和/或材料。在有冲突的情况下，以专利说明书及其定义为准。此外，材料、方法和示例仅是说明性的，并不旨在为必然限制的。

附图说明

在参考附图中示出了示例性实施方式。在附图中示出的部件和特征的尺寸通常是为了表示的方便和清楚而选择的，并且不一定按比例示出。附图在下面列出。

图1是根据本主题的某些示例性实施方式的示例性激光器系统的示意图；

图2示出了根据本主题的某些示例性实施方式的包括折叠的内腔的拉曼激光器系统；

图3示出了根据本主题的某些示例性实施方式的单片式紧凑设计激光器；

图4示出了根据本主题的某些示例性实施方式的连续波操作激光器系统的输出功率图；

图5示出了根据本主题的某些示例性实施方式的Q开关二极管泵浦激光器系统的激光器平均功率图；

图6示出了根据本主题的一些示例性实施方式的用于连续波操作和无源Q开关操作的激光发射光谱；

图7示出了根据本主题的某些示例性实施方式的用于无源Q开关Tm：YLF激光器的脉冲参数；

图8示出了根据本主题的一些示例性实施方式的线性内腔配置激光器；以及

图9示出了根据本主题的一些示例性实施方式的线性外腔激光器配置。

图10示出了根据本发明的一些非限制性实施方式的用于产生脉冲激光光束的方法的流程图。

具体实施方式

根据某些示例性实施方式，本文公开了一种泵浦二极管Q开关激光器。

在详细解释本发明的至少一个实施方式之前，要理解的是，本发明在其应用中并不一定限于在以下描述中阐述的或由示例举例说明的细节。本发明能够具有其他实施方式，或者能够以各种方式被实践或执行。

本文公开了一种激光器系统，例如在2微米(“μm”)波段操作的激光器。可选地，该激光器是脉冲激光器，其可以用于多种应用，例如手术、军事应用、材料加工、光通信、激光雷达等。泵浦激光器可以用作非线性晶体的源，或者在某些情况下可以用作铬掺杂硒化锌(“Cr：ZnSe”)激光器和光学参量振荡器的源。

在某些情况下，铥(TM)离子在³F4→³H6跃迁吸收时提供约80Onm的吸收带，这与为Nd³⁺离子泵浦设计的砷化铝镓(“AlGaAs”)激光二极管的发射相匹配。在某些情况下，借助于可饱和吸收体的这种二极管泵浦固态激光器的无源Q开关是产生短脉冲激光光束的普遍技术。

在某些情况下，Cr：ZnSe和铬掺杂硫化锌(“Cr：ZnS”)可饱和吸收体可以具有相对高的吸收截面，因此不需要在SA上的小区域的聚焦模式。这可以相对于谐振体提供更大的灵活性。可选地，Cr：ZnSe和Cr：ZnS可饱和吸收体的可饱和强度低，这可能导致在Q开关操作期间损坏的风险降低。

在本主题的一些示例性实施方式中，Cr：ZnS晶体可饱和吸收体可应用于若干无源Q开关(“PQS”)激光器，例如Ho：YAG、Tm：KY(WO₄)、Tm：KLu(WO₄)等。在某些情况下，当σ_SA/A_SA>σ_g/A_g时，SA可以实现无源Q开关的功能，其中σ_SA和σ_g分别表示激光波长下的可饱和吸收体的吸收截面和增益介质的发射截面，并且A_SA和A_g可以是可饱和吸收体和增益介质处的模式面积。

在某些实施方式中，Cr：ZnSe晶体提供比Cr：ZnS晶体更高的吸收横截面，例如对于Cr：ZnSe晶体为8.7×10¹⁹平方厘米(“cm²”)，而对于CR：ZnS晶体为5.2×10¹⁹cm²。因此，本领域技术人员将理解，由于腔内通量较低，Cr：ZnSe晶体对于无源Q开关可能是优选的。

现在参考图1，其示出了根据本主题的一些示例性实施方式的示例性激光器系统的示意图。根据本发明的一个方面，提供了激光器系统100。激光器系统100可以包括泵浦二极管110。泵浦二极管110可以光学耦合到光纤115中以产生用于激光器的增益。泵浦二极管110可以以连续波模式或准连续波模式操作。

如下所述，可以调谐泵浦二极管110以提供具有与增益介质的对应吸收线匹配的波长的光束。存在本领域公知的各种泵浦方案和泵浦配置，并且它们中的一些可以适用于本公开应用。泵浦二极管110可以包括直接泵浦，泵浦二极管可以输送到光纤115中。可选地，泵浦二极管110配置可以包括侧泵浦和端泵浦。

激光器系统100可以包括增益介质135。增益介质135可以设置在激光器腔127内。非限制性示例性增益介质135选自掺杂有稀土元素的材料(也称为“激光晶体”)。在一些实施方式中，该材料是选自以下的晶体：钇铝石榴石(“YAG”)、氟化钇锂(“YLF”)和铝酸钇(“YAP”)。在一些实施方式中，稀土元素选自铥(Tm)、钬(Ho)、铒(Er)或其任意组合。

另外的非限制性示例性增益介质135选自：Tm：YAG、Tm：YVO₄、Tm：YLF、Tm：YAP或Tm：LuAG。在一些实施方式中，激光晶体的主体晶体材料中的Tm³⁺掺杂剂的浓度与激光晶体的长度成反比。在一些实施方式中，Tm³⁺掺杂剂的浓度为重量的约0.2％至约8％。

激光器系统100可以包括第一光学元件130和第二光学元件145。可选地，激光器系统100可以包括第一准直透镜120和第二聚焦用透镜125。第一光学元件130可以选自透镜、反射镜、反光镜(例如凸面镜)和棱镜。可选地，凸面镜的曲率半径在100至400mm的范围内。第一光学元件130可以定位在例如大致沿着激光器系统100的纵向轴线190的光路中。激光器系统100可以包括可饱和吸收体140，例如可饱和吸收无源Q开关。可饱和吸收体140可以是薄层或薄膜的形式。可选地，非限制性示例性可饱和吸收体140可以包括选自以下的材料：掺杂的ZnS晶体，以及掺杂的ZnSe晶体，例如，铬掺杂的ZnSe晶体、铬掺杂的ZnS晶体或其组合。此外，非限制性示例性可饱和吸收体140可以包括选自掺杂的卤化银或硫族化物的材料。激光器系统100可以包括沿着纵向轴线190设置的可饱和吸收体140和增益(激光)介质135。在一些实施方式中，水平轴线190可以被限定为与纵向轴线190成多达±30度的角度的范围。

第一光学元件130可以定位在激光器腔127的第一近端。第一光学元件130可以包括第一表面120和第二表面125。第一表面122可以基本上指向激光器腔127和增益介质135。如本领域中公知的，第一光学元件130可以是高反射镜。第一表面122可以涂覆有银、电介质或一些类似的涂层以提供高反射特性。第一表面122的特征在于从泵浦二极管110接收的光束的高透射(“HT”)。第一表面122的特征在于具有在红外(IR)范围内(例如1800-2000nm)的波长的高反射(“HR”)。

第一光学元件130可以被配置为发散光学元件；作为反射凸表面，作为平面元件，或者作为平凹光学元件。入射到第一光学元件130的光可以在其被反射回增益介质135时发散。在某些腔中，取决于增益介质135，将孔130放置于邻近第一光学元件130，以防止高发散光例如由于波导效应而重新进入增益(激光)介质135，可能是有益的。在一些情况下，第一光学元件130可以是透镜或双折射板，这可以使得增益介质135能够调谐。

第一光学元件130可以被第一表面122准直并且可用于再次播种增益介质135以用于进一步放大，同时保持最初建立的低阶模式质量。

激光器系统100可以具有第二光学元件145，也称为输出镜。第二光学元件145可以位于激光器腔127的第二近端。第二光学元件145可以选自透镜、反射镜、反光镜和棱镜。第二光学元件145可以定位在例如大致沿着激光器系统100的纵向轴线的光束的光路中。

第二光学元件145，也称为输出镜，可以位于激光器腔127的第二端处，与第一光学元件130相对。第二光学元件145可以用作离开激光器腔127的激光光束的再生和/或透射界面。可选地，激光器腔127的长度可以在208-410mm的范围内。第二光学元件145可以具有第二表面148。第二表面148可以被涂覆以具有部分反射率，这取决于增益介质135的增益。第二表面148可以为被抗反射涂覆以用于被放大的光。

在某些实施方式中，可以经由监测系统195来监测激光器系统100。监测系统195可以根据激光器系统的输出提供用于监测激光器系统100和从激光器系统获得实验数据的方式。监测系统195可包括滤光器150。滤光器150可至少部分地通过自由空间光传播而光学连接到激光器腔127。可以例如通过改变滤光器150相对于从激光器输出的入射光束的角度来调谐通过滤光器150发射的光束的波长。滤光器150可包括一个或多个阵列的波导光栅。监测系统195可以包括分束器155。分束器155可以在以原始激光光束入射的激光光束的反射分量和透射分量之间具有预定的功率比。分束器155可以对入射激光光束的偏振方向及其反射分量和透射分量不敏感。分束器155可以对偏振不敏感，因此可以不需要入射光束的偏振。分束器155相对于入射光束的角度可以例如为45度角。分束器155的角度的示例性范围可以是：20-60度。为了测量目的，分束器155和凸面镜120之间的距离“D”可以相对于凸面镜120的半径非常小。可选地，距离“D”可以在5至5000微米的范围内。

监测系统195可以包括示波器170。示波器170允许显示发射滤光器130的光束的强度。示波器170可以操作连接到光电二极管160。光电二极管160允许将激光光束的分量转换为电信号。监测系统195可以具有功率(或能量)计165。功率计165可以允许测量激光源光束的功率水平。功率计165可以具有传感器和/或光电检测器以及可变的电连接。

在本主题的一些示例性实施方式中，激光二极管110提供例如105μm芯直径和0.22的NA(数值孔径)的光束，从而以大约793nm的波长在12W的范围内发射。光束可以经由第一光学元件130准直并聚焦到增益介质135上的200μm的初始泵浦斑中。可选地，增益介质135具有8mm的长度和3x3mm的横截面。Tm掺杂的浓度可以为约4％。可选地，增益介质135可以包裹在铟箔中并放置在铜支架(未显示)中，其中铜支架被插入循环水冷的铝制外壳中并保持在大约18℃以便散热或热电冷却。

可饱和吸收体140可被定位在例如大约在距光纤115或泵浦二极管110的输出约8cm处，以提供最大的能量脉冲而不损坏可饱和吸收体140表面。可选地，可饱和吸收体140的厚度可以为2mm，其中孔为4x4mm，也放置在铜支架中。

激光器系统100可以具有外壳。该外壳可以由刚性、耐用的材料制成，诸如但不限于铝、不锈钢、硬质聚合物和/或类似物。外壳可以具有圆柱形、圆锥形、矩形或任何其他合适的形状。外壳可以防止不希望的外来元素进入其中。

在本主题的一些示例性实施方式中，第一光学元件130与增益介质135之间的距离可以在10-20mm的范围内。增益介质135和可饱和吸收体140之间的距离可以在85-160mm的范围内。可饱和吸收体140和第二光学元件145之间的距离可以在80-105mm的范围内。

在本主题的一些示例性实施方式中，增益介质135可以包括在128-150μm的范围内的斑半径，并且可饱和吸收体140可以包括在410-785μm的范围内的斑半径。在某些情况下，增益介质斑半径与可饱和吸收体斑半径之间的比率可以在0.1-7、1-7、1.7-7的范围内，例如2.5至6或3至5。

本主题的一个特定示例性实施方式，第一光学元件130与增益介质135之间的距离可以是10mm。增益介质135和可饱和吸收体140之间的距离可以是85mm。可饱和吸收体140和第二光学元件145之间的距离可以是105mm。增益介质135可以包括在30μm的范围内的斑半径，并且可饱和吸收体140可以包括在450μm的范围内的斑半径。激光器腔127的总长度可以是215mm。增益介质斑半径与可饱和吸收体斑半径之间的比率可以例如是3.46。

参考图2，其示出了根据本主题的某些示例性实施方式的包括折叠的内腔的激光器系统。可选地，激光器系统200是内部拉曼激光器系统，其产生在2.0-2.7μm范围内，例如2.35μm或2.65μm的激光输出。可选地，激光器系统200可以是二极管泵浦有源Q开关，其包括增益介质，例如Tm：YAP、Tm：TLF、Tm：TAG。激光器系统200可以包括拉曼晶体，例如钨酸钡(“BaWO₄”)、硝酸钡(“Ba(NO₃)₂”)、碳酸钙(“CaCO₃”)和KGW。可选地，激光器系统200可以包括第一聚焦用透镜220和第二聚焦用透镜225。激光器系统200可以包括泵浦二极管210。泵浦二极管210可以光学耦合到光纤215中以产生用于激光器的增益。

激光器系统200可以包括折叠镜240。激光器系统200可以包括增益介质255。激光器系统200可以包括Q开关245。激光器系统200可以包括第一镜250、第二镜260和第三镜270，其例如具有本文公开的合适的涂层。激光器系统200可以包括监测系统265，该监测系统可以与上文在图1中所公开的配置类似。

在一些示例性实施方式中，激光器系统200可以提供高达50瓦特(W)的入射二极管功率，例如在793nm下，并且可以在2μm激光器的谐振体中提供100Hz(赫兹)至5kHz(千赫兹)的脉冲重复。在一些情况下，在第一斯托克斯激光2.35μm下在270之后的平均输出功率被估计为瓦特水平。可选地，脉冲宽度小于10ns。

图3示出了根据本发明的某些示例性实施方式的混合2μm激光谐振体。混合2μm激光谐振体300可以提供：激光谐振体部件是以单片或混合形式设计的，例如经由扩散键合等连接。该示例性实施方式可以使激光器300能够小型化为例如手持尺寸。可选地，激光器300可以用作谐振体并且可以如上面的激光器系统200中所公开的那样被泵浦，或者可以是二极管泵浦棒。激光器300可以包括因瓦合金衬底305，作为激光器部件的基部。激光器300可以包括布置在因瓦合金衬底305的顶部上的增益介质320，例如，Tm：YAP、Tm：YLF或Tm：YAG，作为增益介质320的第一刻面。可选地，增益介质320可以包括镜涂层，例如第一刻面310和第二刻面330。可选地，第一刻面310和第二刻面330是与增益介质320脱离的端帽。在一些示例性实施方式中，增益介质320以及第一刻面310和第二刻面330的长度可以在2-20mm的范围内，例如10mm。激光器300可以包括可饱和吸收体(SA)340，例如Cr：ZnSe/S晶体。可选地，SA 340是膜，其长度在1-10mm的范围内，例如在6mm。可选地，SA输出刻面被涂覆并且用作具有HT连接性的输出镜以输出2μm脉冲。

参考图4，其示出了根据本主题的某些示例性实施方式的激光器系统(例如激光器系统100)的连续波操作的输出功率图。没有可饱和吸收体140的激光器系统100，Tm：YLF激光器的输出功率是具有90％反射率输出耦合器的入射泵浦功率的函数。例如，泵浦功率阈值可以是2.97W，在～7W吸收泵浦功率下可以达到2.92W的最大输出功率。当测量的波长为1908nm时，斜率效率可以为30.1％。在某些情况下，激光辐射可以是σ偏振的，例如垂直于纵向轴线190。

参考图6，其示出了根据本主题的一些示例性实施方式的用于连续波操作和无源Q开关操作的激光发射光谱：顶部曲线图610示出了在1908nm的波长下连续波操作的斜率效率为30.1％。激光辐射可以是垂直于增益介质轴线(例如纵向轴线190)偏振的。

参考图7，其示出了根据本主题的某些示例性实施方式的用于无源Q开关Tm：YLF二极管泵浦激光器(例如激光器系统100)的脉冲参数。可选地，在Cr：ZnSe可饱和吸收体140为T₀＝93％和70％反射率输出耦合器的的情况下，可以经由光学转换实现2.2W的最高平均输出功率，并且斜率效率可以分别为30.5％和50.8％。随着在单脉冲能量(例如2.6mJ)下泵浦功率达到860Hz，重复频率几乎呈线性增加。如图5所公开的，半最大脉冲宽度的最小全宽出现在40ns，提供约65kW的峰值功率。

在一些示例性实施方式中，在Cr：ZnSe可饱和吸收体140为T₀＝85％和70％反射率输出耦合器的情况下，最大平均输出功率可以为1.7W。可选地，光学转换效率和斜率效率可以分别为23.6％和44.8％。在最大吸收泵浦功率下，重复频率可以为400Hz，并且单个脉冲能量可以为4.22mJ，连同半最大脉冲宽度的全宽在26ns，对应于～160kW的峰值功率。

再次参考图6，底部曲线图650示出了无源Q开关方案。无源Q开关方案的发射波长可以为大约1885nm，例如与顶部曲线图610相比，蓝移到更短的波长。

图8示出了根据本主题的一些示例性实施方式的线性内腔配置激光器。激光器系统800可以是793nm泵浦系统。激光器系统800可以包括激光二极管810。激光二极管810可以光学耦合到光纤815中以产生用于激光器的增益。

激光器系统800可以具有透镜，例如顶点透镜820，以及第一透镜825，该透镜可以具有与图1的透镜类似地配置。激光器系统800可以包括输入镜，该输入镜具有用于793nm波长输入的HT涂层表面和例如2μm输出的HR涂层输出表面。激光器系统800可以包括增益介质835，该系统可以具有与图1的系统类似地配置。

示例性增益介质835可以是例如Tm：YLF、Tm：YAP或Tm：YAG晶体。激光器系统800可以包括内部镜882，其可以在内部镜882的两侧上具有用于HT的2μm涂层，并且在内部镜的输出侧上具有2.2-2.7μm涂层。

内部镜882可以用作拉曼内腔887的输入(例如2μm的HR)，和2.2-2.7μm的范围内的部分反射(“PR”)。

拉曼内腔887可以例如大致沿着激光器系统800的纵向轴线定位在光路中。

拉曼内腔887可以具有拉曼增益晶体895。拉曼内腔887可以具有可饱和吸收体845(例如，无源Q开关CrZn：S或CrZn：Se)。激光器系统800可以具有输出耦合器885。输出耦合器885可以与2个腔：激光器腔827和拉曼内腔887中的至少一个可操作地连通。激光器系统800可以具有滤光器850。滤光器850可以光学连接到拉曼内腔887。在图1的系统中描述了滤光器850的另外的非限制性示例性配置。

图9示出了根据本主题的一些示例性实施方式的线性外腔激光器系统。线性外腔激光器系统900可以是793nm的泵浦激光器系统，其可以包括激光二极管910。

激光器系统900。激光二极管910可以光学耦合到光纤915中以产生用于激光器的增益。

激光器系统900可以具有光纤915、透镜，例如顶点透镜920、第一透镜925、增益介质935、可饱和吸收体940、第一表面922、滤光器950，这些中的所有都可以具有与图1的系统中公开的类似地配置。

激光器系统900可以包括第一透镜和第二透镜。可选地，激光器系统包括输入镜930，该输入镜在输入表面上具有HT涂层，并且在输出表面上具有HR涂层。激光器系统900可以包括增益介质935，例如，Tm：YLF、Tm：YAP、Tm：YAG晶体。激光器系统900可以包括作为无源Q开关的CrZn：S或CrZn：Se的SA。激光器系统900可以包括用于2μm腔927的输出耦合器945。

可选地，激光器系统900包括高通滤波器950以阻挡793nm光束。可选地，激光器系统900包括准直透镜980以准直2μm光束。激光器系统900可以包括聚焦用透镜985，以将2μm光束聚焦到拉曼增益晶体995中。激光器系统900可以包括用于拉曼外腔987的输出耦合器998。可选地，输出耦合器998可以具有2μm的HR表面涂层和2.2-2.7μm的PR表面涂层。

方法

在一些实施方式中，提供了一种产生脉冲激光光束的方法。

现在参考图10，其示出了根据本发明一些实施方式的用于产生脉冲激光光束的方法的流程图。

在一些实施方式中，该方法包括以下步骤：

提供以上讨论的激光器系统，该激光器系统包括：

激光器腔；

设置在激光器腔内的增益介质；

泵浦源；

可饱和吸收体(SA)；

第一镜，其设置在激光器腔的第一近端处；以及

第二镜，其设置在激光器腔的第二近端处(步骤700)；

向泵浦源供应能量(例如，电功率)以激励增益介质(步骤702)。

在供应能量时：

可以产生穿过增益介质和SA的激光光束(步骤704)；

可以在增益介质上产生增益介质半径斑，并且在SA上产生SA半径斑(步骤706)；

然后，激光光束可以透射通过第二镜(步骤708)，从而从激光器腔输出脉冲激光光束(步骤710)。

在一些实施方式中，激励增益介质导致自发和受激能量发射沿着横向于腔的方向在增益介质中传播。

在一些实施方式中，通过第一镜(例如凹面输入镜)输送泵浦。

在一些实施方式中，激光光束在增益介质内的面积与激光光束在可饱和吸收体(SA)内的面积的比率大于1，或者在一些实施方式中，大于2，或者在一些实施方式中，大于3.5。

在一些实施方式中，增益介质半径斑与SA半径斑的比率在1.7-7的范围内。

在一些实施方式中，增益介质半径斑与SA半径斑的比率在1.7至6的范围内。在一些实施方式中，增益介质半径斑与SA半径斑的比率在1.7至5的范围内。在一些实施方式中，增益介质半径斑与SA半径斑的比率在1.7至4的范围内。在一些实施方式中，增益介质半径斑与SA半径斑的比率在1.7至3.5的范围内。在一些实施方式中，增益介质半径斑与SA半径斑的比率在2至4的范围内。

在一些实施方式中，激光光束的特征在于为红外(IR)光谱的波长。

在一些实施方式中，脉冲激光光束的特征在于具有至少1mJ的能量。在一些实施方式中，脉冲激光光束的特征在于具有至少1mJ的能量。在一些实施方式中，脉冲激光光束的特征在于具有至少2mJ的能量。在一些实施方式中，脉冲激光光束的特征在于具有至少3mJ的能量。在一些实施方式中，脉冲激光光束的特征在于具有至少4mJ的能量。在一些实施方式中，脉冲激光光束的特征在于具有至少5mJ的能量。

在一些实施方式中，脉冲激光光束具有在1至10mJ的范围内的能量。在一些实施方式中，脉冲激光光束具有1、2、3、4、5、6、7、8、9、10mJ的能量，包括其间的任何值和范围。

在一些实施方式中，供应1至50瓦特的电功率。在一些实施方式中，供应1至40瓦特的电功率。在一些实施方式中，供应1至30瓦特的电功率。在一些实施方式中，供应2至30瓦特的电功率。在一些实施方式中，供应3至30瓦特的电功率。在一些实施方式中，供应1、5、10、15、20、25、30、35、40、45或50瓦特的电功率，包括其间的任何值和范围。

在一些实施方式中，该方法还包括步骤(iii)：将输出激光光束聚焦到拉曼增益晶体中。

在一些实施方式中，步骤(iii)通过以下来执行：将聚焦用透镜放置在输出激光光束与拉曼增益晶体之间，使得聚焦用透镜接触输出激光光束，以形成聚焦的激光光束。

在整个本申请中，本发明的各种实施方式可以以一定范围的形式呈现。应当理解，范围形式的描述仅仅是为了方便和简洁，而不应被解释为对本发明的范围的不灵活的限制。因此，范围的描述应被认为已经具体公开了所有可能的子范围以及该范围内的单个数值。例如，对诸如从1到6的范围的描述应被视为已经具体公开了诸如从1到3、从1到4、从1到5、从2到4、从2到6、从3到6等之类的子范围，以及该范围内的单个数字，例如1、2、3、4、5和6。这与范围的广度无关。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括具有用于使处理器执行本发明的各方面的计算机可读程序指令的计算机可读存储介质(或媒介)。

计算机可读存储介质可以是有形的装置，其可以保留和存储由指令执行装置使用的指令。计算机可读存储介质可以是例如但不限于：电子存储装置、磁存储装置、光存储装置、电磁存储装置、半导体存储装置或前述的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体示例的非穷举列表包括以下内容：便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能磁盘(DVD)、记忆棒、软盘、记录有指令的机械编码装置，以及前述的任何合适的组合。如本文所使用的，计算机可读存储介质不应被解释为本身是瞬时信号，诸如无线电波或其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输介质(例如，穿过光纤电缆的光脉冲)传播的电磁波，或通过电线传输的电信号。相反，计算机可读存储介质是非瞬态(即，非易失性)介质。

可以经由例如因特网、局域网、广域网和/或无线网之类的网络将本文描述的计算机可读程序指令从计算机可读存储介质下载到相应的计算/处理装置或外部计算机或外部存储装置。该网络可以包括铜传输电缆、光传输纤维、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理装置中的网络适配器卡或网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发计算机可读程序指令以存储在相应的计算/处理装置内的计算机可读存储介质中。

用于执行本发明的操作的计算机可读程序指令可以是：汇编指令、指令集体系结构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据，或者用一种或多种编程语言(包括诸如Java、Smalltalk、C++等之类的面向对象的编程语言)和常规过程编程语言(诸如“C”编程语言或类似编程语言)的任意组合编写的源代码或对象代码。计算机可读程序指令可以完全在用户计算机上执行、部分在用户计算机上执行(作为独立软件包)、部分在用户计算机上并且部分在远程计算机上执行，或完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，远程计算机可以通过任何类型的网络(包括局域网(LAN)或广域网(WAN))连接到用户计算机，或者可以与外部计算机建立连接(例如，通过使用因特网服务提供商的因特网)。在一些实施方式中，包括例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)的电子电路可以通过利用计算机可读程序指令的状态信息来执行计算机可读程序指令，以个性化电子电路，以便执行本发明的各方面。

在此参考根据本发明实施方式的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各方面。将理解的是，流程图和/或框图的每个框以及流程图图示和/或框图中的框的组合可以由计算机可读程序指令来实现。

可以将这些计算机可读程序指令提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生机器，使得经由计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令，创建用于实现流程图和/或框图(一个或多个)框中指定的功能/动作的装置。这些计算机可读程序指令还可以存储在计算机可读存储介质中，该计算机可读存储介质可以指导计算机、可编程数据处理设备和/或其他装置以特定方式执行功能，使得存储有指令的计算机可读存储介质包括制品，该制品包括实现在流程图和/或框图(一个或多个)框中指定的功能/动作的各方面的指令。

计算机可读程序指令还可以被加载到计算机、其他可编程数据处理设备或其他装置上，以使在计算机、其他可编程设备或其他装置上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的过程，使得在计算机、其他可编程设备或其他装置上执行的指令实现在流程图和/或框图(一个或多个)框中指定的功能/动作。

附图中的流程图和框图示出了根据本发明的各种实施方式的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。就此而言，流程图或框图中的每个框可以表示指令的模块、片段或部分，其包括用于实现指定的(一个或多个)逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代实施方式中，框中指出的功能可以不按附图中指出的顺序发生。例如，实际上可以基本上同时执行连续示出的两个框，或者有时可以以相反的顺序执行这些框，这取决于所涉及的功能。还将注意，框图和/或流程图的每个框，以及框图和/或流程图的框的组合，可以由执行指定功能或动作或者执行专用硬件和计算机指令的组合的专用的基于硬件的系统来实现。

已经出于说明的目的呈现了对本发明的各种实施方式的描述，但是这些描述并非意图是穷举性的或限于所公开的实施方式。在不脱离所描述的实施方式的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。本文所选择使用的术语是为了最好地解释实施方式的原理、针对市场上发现的技术的实际应用或技术改进，或者使本领域的其他普通技术人员能够理解本文公开的实施方式。

通则

每当在本文中指示数值范围时，其意图包括在指示范围内的任何引用的数字(分数或整数)。短语在第一指示数字和第二指示数字“之间的范围/多个范围”以及从第一指示数字“到”第二指示数字的“范围/多个范围”在本文中可互换使用，并且意图包括第一和第二指示数字以及它们之间的所有分数和整数。

在本申请的说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”和“具有”中的每者及其形式不一定限于该词语可以关联的列表中的成员。此外，在本申请与通过引用并入的任何文件之间存在不一致的地方，在此旨在以本申请为准。

Claims

1.一种激光器系统，所述激光器系统包括：

激光器腔；

增益介质，所述增益介质设置在所述激光器腔内；

泵浦，所述泵浦被配置成光学地泵浦所述激光介质；

可饱和吸收体(SA)；

第一镜，所述第一镜设置在所述激光器腔的第一近端处；以及

第二镜，所述第二镜设置在所述激光器腔的第二近端处；

其中，所述第一镜、所述第二镜和所述可饱和吸收体与所述激光腔一起沿着水平轴线设置，

所述可饱和吸收体设置在所述第二镜与所述激光器腔之间，

所述系统被配置成沿着水平轴线提供激光光束，使得所述激光光束在所述增益介质内的面积与所述激光光束在所述可饱和吸收体内的面积的比率大于1，

所述光束在所述增益介质上产生增益介质半径斑，并且所述光束在所述可饱和吸收体上产生可饱和吸收体半径斑，以及

在所述增益介质上的所述增益介质半径斑与在所述可饱和吸收体上的所述可饱和吸收体半径斑之间的比率在1.7至7的范围内。

2.根据权利要求1所述的激光器系统，其中，所述激光光束以红外(IR)光谱的波长为特征。

3.根据权利要求1和2中的任一项所述的激光器系统，其中，所述激光光束以在1800nm至2650nm的范围内的波长为特征。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的激光器系统，其中，所述激光光束以在1800nm至2100nm的范围内的波长为特征。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的激光器系统，其中，所述激光光束在所述激光介质内的面积与所述激光光束在所述可饱和吸收体内的面积的比率大于3.5。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的激光器系统，其中，所述可饱和吸收体(SA)包括从由卤化银和硫族化物组成的组中选出的材料。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的激光器系统，其中，所述激光介质包括基本上掺杂有稀土元素的材料。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的激光器系统，其中，所述增益介质包括从由钇铝石榴石(YAG)、铝酸钇(YAP)和氟化钇锂(YLF)组成的组中选出的晶体。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的激光器系统，其中，所述稀土元素选自铥(Tm)、钬(Ho)、铒(Er)、或者它们的任意组合。

10.一种无源Q开关二极管泵浦激光器系统，所述系统包括：

增益介质，和

可饱和吸收体(SA)；

其中，所述增益介质和所述可饱和吸收体沿着水平轴线设置；

其中，所述系统被配置成沿着所述水平轴线提供激光光束，使得所述激光光束在所述增益介质内的面积与所述激光光束在所述可饱和吸收体内的面积的比率大于1，

其中，所述光束在所述增益介质上产生增益介质半径斑，并且所述光束在所述可饱和吸收体上产生可饱和吸收体半径斑，以及

其中，在所述增益介质上的所述增益介质半径斑与在所述可饱和吸收体上的所述可饱和吸收体半径斑之间的比率在1.7至7的范围内。

11.一种用于产生脉冲激光光束的方法，所述方法包括：

(i)提供一种系统，所述系统包括：

激光器腔；

增益介质，所述增益介质设置在所述激光器腔内；

泵浦源；

可饱和吸收体(SA)；

第二镜，所述第二镜设置在所述激光器腔的第二近端处；

(ii)向所述泵浦源供应电功率以激励所述增益介质，从而：

产生穿过所述增益介质和所述可饱和吸收体(SA)的激光光束；

在所述增益介质上产生增益介质半径斑；

在所述可饱和吸收体(SA)上产生可饱和吸收体(SA)半径斑；

使所述激光光束透射通过所述第二镜，从而输出脉冲激光光束；

其中：

(a)所述激光光束在所述增益介质内的面积与所述激光光束在所述可饱和吸收体(SA)内的面积的比率大于1，以及

(b)所述增益介质半径斑与所述可饱和吸收体(SA)半径斑的比率在1.7至7的范围内。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述激光光束在所述增益介质内的面积与所述激光光束在所述可饱和吸收体(SA)内的面积的比率大于3.5。

13.根据权利要求11或12中的任一项所述的方法，其中，输出的所述激光光束以红外(IR)光谱的波长为特征。

14.根据权利要求11至13中的任一项所述的方法，其中，输出的所述激光光束以至少1mJ的能量为特征。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述能量在1mJ至10mJ的范围内。

16.根据权利要求11至15中的任一项所述的方法，其中，供应1瓦特至50瓦特的所述电功率。

17.根据权利要求11至16中的任一项所述的方法，还包括步骤(iii)：将输出的所述激光光束聚焦到拉曼增益晶体中。