本发明涉及激光装置。其特别有利地应用在、但不限于有效的三能级跃迁泵浦中，低跃迁能级对应于基态。

通常，三能级激光器为激光跃迁的低能级是基态的激光器。仅在半数以上的离子处于激发态时，介质才会放大。

达到该激发能级所必要的局部泵浦功率为

P＝hvpAp/σapτ

其中hvp是泵浦光子的能量，Ap是泵浦的横向范围面积，σap是泵浦的有效吸收截面且τ是激发态的寿命。单发射二极管聚焦在几10-8m2的区域上，其对于多数基质材料中多数的三价形式的稀土元素，产生量级从几W到几十W的P值。通常，激光阈值大于P。这就说明了为什么很少生产出二极管泵浦的三能级激光器。

事实更复杂一点，因为关于能量，能级通常是多重的且略微分开。次能级中的每一个都是热布居的(populated)且通常处于玻尔兹曼平衡。有效截面为绝对有效截面乘以次能级的相关粒子数。因而有效的发射和吸收截面不同，σa≠σe。当跃迁的低能级为高能次能级时，σa＜＜σe，并且激光器操作接近四能级激光器的操作。这样的情况例如是Nd:YAG(4F3/2→4I9/2)的946nm跃迁。另一方面，还没有这样的实验是公知的，即，其例如演示与能级4I9/2的基态次能级相对应的约875nm的发射，该跃迁与三能级激光器相对应。

具体地，三价镱(Yb)具有两个能级。基态能级2F7/2具有四个次能级。激发能级4F5/2具有三个次能级。通常，最大的有效吸收截面与最低的两个次能级之间的跃迁相对应。该跃迁是三能级激光器的跃迁，并且因而不能用于泵浦该相同的三能级激光器。这意味着σap较低且激光阈值因此不可避免地较高。这就是很少有实验已经演示出例如三能级Yb激光器的操作的原因。

作为示例，只有两个显著的实验已经演示了基于镱的三能级跃迁的激光器。

第一个实验涉及掺镱光纤激光器，其由在915nm发射18W的二极管泵浦。这是977nm的、输出功率超过1W的唯一的激光器。这种激光器在以下公开中描述：“A 3.5-W 977-nm cladding-pumpedjacketed air-clad Ytterbium-doped fiber laser”，K.H.Yla-Jarkko，R.Selvas，D.B.S.Soh，J.K.Sahu，CA.Codemard，J.Nilsson，S：U.Alam，and A.B.Grudinin.In，Zayhowski，JJ.(ed.)Advanced Solid-StatePhotonics 2003.Washington DC，USA，Optical Society of AmericaTrends in Optics and Photonics Series(OSA TOPS Vol 83)。

在该文献中，阈值的减小通过光纤的引导结构和高亮度二极管来实现，可使泵浦面积A减小的倍数大于10。然而，这种光纤激光器中的泵浦注入系数并不好。这种激光器的工业生产将需要保偏光纤。最后，小于10W的激光功率例如不能使传统的非线性晶体具有较好的倍频效率，并且泵浦与蓝光发射(488nm)之间的转换产量较低。

第二个实验涉及在985nm发出250mW的Yb:S-FAP激光器。该激光器在以下文章中描述″Efficient laser operation of an Yb:S-FAPcrystal at 985nm″，S.Yiou，F.Balembois，K.Schaffers and P.Georges，Appl.Opt.42，4883-4886(2003)。该激光器由在900nm发射1.45W的Ti:sapphire(蓝宝石)激光器泵浦。

阈值的减小通过选择使产品的σapτ最大的材料(S-FAP)以及通过激光泵浦来实现，该激光泵浦可使泵浦面积A至少减小10倍。

在约980nm发射的Yb激光器的主要困难有两部分。第一个困难是四能级发射与三能级发射之间的增益竞争。为了将四能级发射的最大增益减小至三能级发射的阈值，应该减小镱的浓度N和长度L的乘积。另一个困难是泵浦的有效吸收截面尺寸较小(900和950nm之间)，并且可利用的半导体源的最大吸收波长不足。低的NL乘积和小的泵浦有效吸收截面的组合导致激光器中泵浦吸收减小。因此，这降低了激光器的效率。

Yb:S-FAP晶体的选择随着S-FAP中Yb的有效吸收截面的高值的变化而改变。所述两个主要问题是由缺乏S-FAP供应者以及与商业二极管不相对应的泵浦波长(899nm)引起的。其它的公知晶体更不适合。

本发明的目的在于除去上述缺点，并且具体为减小三能级激光器的发射阈值。本发明的另一目的在于设计一种能够由大范围的波长所激发的三能级激光器。本发明的再一个目的在于提供一种高效而紧凑的激光器。本发明的最终目的是设计一种二极管泵浦的激光器，其放大介质的激发不能通过由泵浦二极管直接泵浦来进行(由于波长的未利用率或者由于泵浦模式缺乏空间适应性)。

上述目的中的至少一个通过激光装置实现，其包括：

-第一放大介质，其能够以输出波长λs发出第一输出激光束；

-第二放大介质，其能够发出中间波长λi的第二激光束并能够以泵浦波长λp泵浦，以使得λi包含在λp和λs之间；

-单个激光腔，其包含所述第一放大介质和所述第二放大介质，所述激光腔由最大反射位于所述波长λi的两个镜闭合。

用本发明的装置，第二放大介质的激光发射被用于在单个激光腔内泵浦第一放大介质。本发明因而可扩大使用的泵浦波长的范围，以允许第一放大介质发出激光。也就是说，因而可对通常不能有效吸收由二极管发出的波长的放大介质进行泵浦。

有利地，第一放大介质可以是三能级放大介质。本发明尤其可以极大地减小激光发射阈值，并且同时增大三能级激光器的效率。尤其是，在所述激光腔中产生有两个不同的激光波长λi和λs。

根据本发明的有利特性，所述第一放大介质包括活性元件，所述活性元件吸收所述中间波长λi的激光束。具体地，在第一放大介质中对所述中间波长λi的激光束的吸收大于所述中间波长λi的激光束的非共振损耗。

为了得到本发明的有利组件，进行了下文描述的程序。

超过激光器阈值时，将泵浦功率Pp、激光器功率P1以及受激离子部分x相联系的等式近似为：

$\frac{{\mathrm{AN}}_1{L}_1{x}_1}{{\tau }_1}+\frac{P_1}{{\mathrm{hv}}_1}(G^2-1)=\frac{P_p}{{\mathrm{hv}}_p}(1-\exp (-{\alpha }_{p1}\left(x_1\right)L_1))---\left(1\right)$

其中A是泵浦的截面，N1是掺杂离子的浓度，L1是放大介质的长度，τ1是激发态寿命，G是对激光腔的损耗η准确补偿的增益，并且αP1(x1)＝σap1 N1L1(1-Γx1)是作为粒子数反转的函数的泵浦吸收系数，Γ是受激离子的横向分布上的泵浦的覆盖系数。x的值由G2(x1)η＝1的解给定。阈值为Pp的值，也就是当P1＝0时式(1)的解。

对于真实的三能级激光器，X1的数量可达到0.5或更多，然而，对于四能级激光器，x的值可低至0.01。为了减小激光器阈值(与等式的左部分连接)，乘积N1L1应最小。另一方面，将泵浦功率较好地转换为激光需要αpt(x1)L1＞＞1。如果有效吸收截面σap1较小，则这意味着乘积N1L1一定很大。

为了解决阈值问题以及泵浦功率到激光的转换问题，提出了本发明的新型激光器设计。提出了增加第二放大介质，其浓度为N2、长度为L2、激发态寿命为τ2，且其吸收泵浦波长λp，并且在该泵浦波长和激光器波长λs之间的中间波长λi处具有增益。波长λi由第一放大介质吸收。镜在波长λi处高度反射，从而使激光λi的非共振损耗η2最小。这些损耗可较好地低于1％。如果第一放大介质的吸收较好地高于η2(当吸收的百分比比较小时，这种情况是真实的)，该新型激光器的等式近似为

$\frac{{\mathrm{AN}}_1{L}_1{x}_1}{{\tau }_2}+\frac{{\mathrm{AN}}_2{L}_2{x}_2}{{\tau }_2}+\frac{P_1}{{\mathrm{hv}}_1}(G^2-1)=\frac{P_p}{{\mathrm{hv}}_p}(1-\exp (-{\alpha }_{p2}\left(x_2\right)L_2))---\left(2\right)$

第一放大介质的受激离子的部分x2为允许在波长λi处的激光器阈值的部分。如果较好地选择第二放大介质，则x2的值可相当低(＜0.1)。

通常，第二放大介质的使用可将乘积N1L1的值减小10倍，同时增大泵浦的吸收能级。为了明显地减小激光器阈值，项AN2L2x2/τ2比AN1L1x1/τ1足够低便可。

根据本发明的有利实施方式，所述激光腔为单块共振线形型，并且不同的元件可光学接触。

优选地，当直接泵浦所述第一放大介质时，所述第二放大介质在所述波长λi处的发射阈值低于所述第一放大介质在所述波长λs处的发射阈值。

作为示例，所述第一放大介质基于三价镱的三能级跃迁，输出波长约为980nm。所述镱可包含在掺镱(Yb)的硅酸盐基质中。

所述第二放大介质基于三价钕Nd的4F3/2→4I9/2跃迁，所述三价钕Nd能够包含在选自以下基质材料中：YAG；YVO4；GdVO4；YAP或YLF。

根据有利的特性，可将元件插入本发明的激光腔中，如偏振器、滤波器、非线性晶体或任何适于插入激光腔的其它元件。

具体地，本发明的装置可以使得所述第一放大介质包括以大约980nm发射的镱。此外，还可使用内腔倍频非线性晶体。在这种情况下，由激光装置发出的波长是第一放大介质的波长的一半。

本发明的其它优点和特性将通过检查非限定性实施方式的详细描述以及附图而变得明显，在附图中：

图1是三能级激光器的简图；

图2是本发明由激光二极管泵浦的激光装置的简图；

图3是GGG基质中镱的有效吸收和发射截面曲线的图示；

图4是表示传统激光器和本发明激光器的特性的图；

图5是硅基质中镱的有效吸收和发射截面曲线的图示。

图1示出了三能级激光器的能态图。可对以下三个态进行区分：态1：基态能级；态2：激发能级；以及态3：泵浦吸收能级。从一个态到另一态的每个跃迁均与物理现象相关。从态1到态3的转变通过吸收光子的光泵浦而发生。从态3到态2的转变通过原子的弛豫(即，通常非辐射且快速的去激发)而发生。原子保持在态2的时段等于给定的寿命。从态2到态1的转变通过形成激光束的光子发射而发生。

图2示出了本发明由激光二极管5泵浦的激光装置4。激光装置4由形成单块线形腔的两个放大介质6和7组成。由激光二极管5发射的激光束与激光装置4共线。

第一放大介质6为设置在第二放大介质7下游的活性三能级介质，该顺序能够颠倒。第二放大介质7的发射波长λi包含在泵浦5的发射波长λp与第一放大介质的发射波长λs之间。第二放大介质由泵浦5激发。装置的激光腔包括在波长λi处具有最大反射Rmax的镜8，镜8连接于第一放大介质6的输出表面。该装置的激光腔还包括在波长λi处具有最大反射Rmax的镜9，镜9连接于第二放大介质7的输入表面。

图3至图5可突出将本发明应用于以大约980nm发射的三能级镱Yb激光器时的优点。

Yb:YAG晶体常常用于以1031nm进行的发射(四能级激光器)。在YAG基质中，Yb离子在波长在968nm处具有三能级跃迁。不幸地，在该波长处，σa1＝7.10-25m2＞σe1＝3.10-25m2。这意味着发射激光的阈值需要激发多于70％的离子。为了克服该问题，选择了略微不同的晶体基质(GGG)。Yb:GGG的特性如下：三能级发射峰为971nm，四能级发射峰为1031nm，吸收带宽为930-945nm，σa1(971)＝6.6.10-25m2，σa1(940)＝4.10-25m2，τ＝0.8ms。该有效吸收和发射截面在图3中示出。也就是说，掺有2％Yb的晶体(Ny＝2.5.1026m-3)。假定泵浦在150μm的直径上是一致的。如果对例如内腔倍频有兴趣，则考虑具有Rmax镜的腔，并假定来回损耗等于2％，计算971nm的激光功率。模拟示出了晶体长度Ly＝5mm接近最佳。如果超过该值，激光阈值则变得很高，并且四能级增益变得很大以致难以防止其振荡。低于该长度时，泵浦则不再有效地吸收。对于5mm的长度，激光阈值为15W。对于17.5W的泵浦功率，激光功率达到20W(参见图4中的右侧曲线)。

本发明的效率通过采用Nd:YAG作为第二增益介质来演示。考虑掺有1.1％Nd(NN＝1.53.1026m-3)且厚度LN＝2mm的晶体。Nd离子以808nm被泵浦并且可以946nm的波长发射。激发态寿命为τ＝0.19ms并且σa2(808)＝6.15.10-24m2，σe2(946)＝3.9.10-24m2，σa2(946)＝4.5.10-26m2。如前所述，可以将Yb:GGG的厚度极大地减小至例如Ly＝0.5mm。通过上述值，激光器阈值低于0.9W，并且对于1.55W的泵浦功率，971nm的激光器功率达到20W，与图4中左侧的曲线一致。

因而本发明已经说明了可通过保持或者甚至增大泵浦的吸收、并因此保持或增大转换效率来极大地减小三能级激光器的阈值。本发明所有的意义具体来自于(但不限于)根据Yb的三能级跃迁生产的约980nm或约490nm(通过将倍频晶体插入腔中)的激光源。可以考虑多数的基质材料，包括Yb:SiO2(图5)，其优点是在976nm发射。倍频精确地对应于氩激光器的主波长(488nm)。

一般说来，本发明允许有效地泵浦三能级激光器。为此目的，已经将能够由波长为λp的泵浦激发的第二激光介质引入激光腔中；该第二介质发出中间波长λi的第二介质，中间波长λi包含在泵浦波长和三能级激光器的波长λs之间。还确保了激光腔的镜在波长λi处为Rmax(最大反射)。优选地，当直接泵浦第一介质时，激光阈值λi低于激光阈值λs。此外，波长λi优选地由三能级激光器介质吸收，并且该吸收大于腔的其它损耗。其它的元件也可加到腔的内部，如偏振器、滤波器或非线性晶体。本发明具体应用在Yb3+的三能级跃迁中，取决于基质材料，Yb3+的波长约为980nm。这样就可生产出以大约980nm发射的激光器或者以大约490nm发射的包括内腔倍频装置的激光器。

当然，本发明不限于上述的实施例，并且在不超出本发明范围的情况下，可对该实施例进行多种调整。事实上，本发明还可有利地应用于除了三能级放大介质之外的其它放大介质，例如四能级放大介质。