CN103151695A - 拓扑绝缘体脉冲调制器件及全固态激光用脉冲调制激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及拓扑绝缘体脉冲调制器件及全固态激光用脉冲调制激光器。拓扑绝缘体脉冲调制器件包括衬底和沉积在衬底上面的拓扑绝缘体材料,可用于对产生可见光、红外或紫外的激光进行调Q和锁模，制成全固态激光用脉冲调制激光器；所述的全固态激光用脉冲调制激光器包括泵浦源，前腔镜，激光增益介质，拓扑绝缘体调制器件，输出镜；是将所述的拓扑绝缘体调制器件放于全固态激光器的谐振腔内，制成调Q器件或锁模器件的激光器。本发明的脉冲调制器件具有制作简单、可实现波长较大范围内激光的调节、有利于产业化生产等特点。
Description
技术领域
本发明涉及激光器件领域，特别涉及拓扑绝缘体脉冲调制器件及全固态激光用脉冲调制激光器。
背景技术
脉冲激光具有脉冲能量大、脉冲时间短、峰值功率高等优势，已经在国防、科研、医疗等众多领域获得了重要的应用。根据脉冲激光的调制方式，可以分为主动调制和被动调制，其中被动调制由于操作简单、结构紧凑等优势，在脉冲激光中扮演着越来越重要的角色。被动调制方式主要基于具有可饱和吸收特性的材料，即为在高能量密度激光照射时透过率高，而低能量激光照射时透过率低的材料。
目前常用的可饱和吸收材料为两类：具有特殊离子掺杂的绝缘体材料和半导体材料。第一类具有特殊离子掺杂的绝缘体材料如掺铬的钇铝石榴石（Cr:YAG）晶体或陶瓷以及色心晶体。CN1801547A(CN200410095415.8)提供一种采用可饱和吸收体的大能量激光脉冲放大系统，其包括激光振荡器和放大器，激光振荡器和放大器间的光路上设置有可饱和吸收体，可饱和吸收体为与激光波长相应的可饱和吸收体，可饱和吸收体优选为Cr:YAG。第二类半导体材料，如砷化镓和特殊工艺做成的可饱和吸收镜（SESAM）。CN1705174A(CN200410046062.2)提供一种透过式兼输出镜的半导体可饱和吸收镜，其特征在于，其中包括：一半绝缘衬底；在半绝缘衬底的下面镀有高反膜；一缓冲层，该缓冲层制作在半绝缘衬底上；一吸收区，该吸收区制作在缓冲层上；一增透膜，该增透膜镀在吸收区上。该可饱和吸收镜可用于固体激光器的被动锁模，实现超短脉冲激光的输出。这两类器件除了制作工艺非常复杂之外，还对波长非常敏感，对于不同的波长其吸收相差很大，甚至不吸收；在进行应用时，需要根据不同的波长进行设计，这就给其制作和应用带来了很大的不便。
最新的研究报道还涉及到碳纳米管及石墨烯材料作为可饱和吸收体，CN102227044A(CN201110126803.8)涉及一种石墨烯被动调Q纳秒脉冲光纤激光器，属于激光技术及其非线性光学领域。主要包括泵浦源、波分复用器、光纤光栅、掺杂光纤、石墨烯可饱和吸收体、环形器、激光分束器以及隔离器等，利用石墨烯的可饱和吸收特性实现高脉冲能量、纳秒激光脉冲输出。石墨烯材料具有制备简单、成本低廉、可饱和吸收光谱范围宽等优点，因此石墨烯可饱和吸收体更易于产业化应用。
拓扑绝缘体是三维层状材料，典型的代表是Bi2Se3、Bi2Te3或Sb2Te3。它不同于传统意义上的“金属”或“绝缘体”，它代表一种全新的量子物态：体态是有能隙的绝缘体，表面则表现为没有能隙的金属态。其能带结构由导带和价带之间直接带隙的体态和具有狄拉克锥结构的表面电子态组成。具有线性色散关系的单狄拉克锥连接体系的价带顶和导带底。该类材料的体禁带宽度较小。当强光照射时，其价带中的电子会全部跃迁至导带，在导带形成分布，从而由于泡利不相容原则，该材料不会再对该光进行吸收，具有可饱和吸收特性。
发明内容
针对现有技术的不足，利用拓扑绝缘体具有的可饱和吸收特性以及对波长不敏感的特点，本发明提供一种拓扑绝缘体脉冲调制器件及其应用。
本发明还提供利用所述拓扑绝缘体脉冲调制器件制成的全固态激光用脉冲调制激光器。
本发明的技术方案如下：
一、拓扑绝缘体脉冲调制器件
拓扑绝缘体脉冲调制器件，包括衬底和沉积在衬底上面的拓扑绝缘体材料，衬底选择石英衬底、蓝宝石衬底或者对所用激光透过的其它晶体或陶瓷材料衬底；所述拓扑绝缘体材料选自Bi2Se3、Bi2Te3或Sb2Te3。
根据本发明优选的，所述衬底为石英和蓝宝石晶体。所述衬底厚度为1-2mm。
根据本发明优选的，所述沉积在衬底上面的拓扑绝缘体材料厚度为10-100纳米。优选20-60纳米。
根据本发明优选的，进一步的，在衬底上未载有拓扑绝缘体的一面镀有利于激光振荡的介质膜。该介质膜可以根据应用时的要求，改变振荡光的反射率，克服不镀膜时反射率不可变等因素带来的缺点，有利于脉冲激光器的设计。优选的，所述衬底上未载有拓扑绝缘体的一面镀有利于激光振荡的介质膜是镀以对1064nm增透的介质膜或镀以对1.03―1.08μm增透的介质膜。所述增透是指对特定波长的光透过率≥95%。
所述的拓扑绝缘体脉冲调制器件可以加工成任意形状，优选的，所述的拓扑绝缘体脉冲调制器件是矩形或圆形。
本发明的拓扑绝缘体脉冲调制器件的应用,可用于对产生可见光、红外或紫外的激光进行调Q和锁模。
本发明的拓扑绝缘体脉冲调制器件的制备方法按现有技术即可。
拓扑绝缘体脉冲调制器件的制备包括如下步骤：
（1）按现有技术采用化学浴沉积法在衬底上沉积拓扑绝缘体材料；任选地还包括以下步骤（2）：
（2）在衬底上未载有拓扑绝缘体的一面镀以有利于激光振荡的介质膜。
化学浴沉积法在衬底上沉积拓扑绝缘体材料可按现有技术，如参照孙正亮的论文“化学沉沉积法合成硒化铋纳米结构薄膜”，材料科学与工程学报，2010年第28卷第2期，249页。
二、拓扑绝缘体脉冲调制器件的应用于全固态激光用脉冲调制激光器
一种基于拓扑绝缘体的全固态激光用脉冲调制激光器，包括泵浦源，前腔镜，激光增益介质，拓扑绝缘体调制器件，输出镜。所述的前腔镜和输出镜组成谐振腔，前腔镜镀以对激光波段高反射介质膜，输出镜镀以对激光波段部分反射介质膜。将所述的拓扑绝缘体调制器件放于全固态激光器的谐振腔内，制成调Q器件或锁模器件的激光器。
根据上述的全固态激光用脉冲调制激光器，所述的激光增益介质是半导体、激光晶体、激光陶瓷或者激光玻璃等所有能产生激光增益的介质，加工成圆柱体或者长方体，其端面镀以有利于泵浦光的吸收和激光振荡的介质膜，也可以只是精抛光不镀膜。优选的，所述的激光增益介质是钕掺杂钇铝石榴石（Nd:YAG）晶体或Yb:GdVO4晶体，Nd:YAG的Nd3＋离子浓度为0.5-10at.%；Yb:GdVO4晶体的Yb3＋离子浓度为0.5-20at.%。
根据上述的全固态激光用脉冲调制激光器，所述的泵浦源为半导体激光二极管（LD）或氙灯等能提供泵浦能量的光源。
根据上述的全固态激光用脉冲调制激光器，谐振腔内的前腔镜、输出镜曲率可根据谐振腔要求自行设计，谐振腔设计为本领域熟知技术。
下面就调Q器件或锁模器件的激光器分别详细说明。其中，所述关于介质膜的“增透”、“高反射”、“部分反射”具有本领域公知的含义，“增透”一般指对特定波长的光透过率≥95%，“高反射”一般指对特定波长的反射率≥99%，“部分反射”一般指对特定波长的反射率在80%-99%之间。
1、根据上述的全固态激光用脉冲调制激光器，优选的，基于拓扑绝缘体的全固态激光用脉冲调制激光器是端面泵浦拓扑绝缘体调Q器件激光器：
一种端面泵浦拓扑绝缘体调Q器件激光器，包括泵浦源，光纤耦合系统，聚焦系统，前腔镜，激光增益介质，拓扑绝缘体调制器件，平凹输出镜。前腔镜和输出镜构成的谐振腔采用直腔，谐振腔长度取1-10cm。泵浦光经光纤耦合系统、聚焦系统和前腔镜输入到激光增益介质中，产生激光经拓扑绝缘体调制器件调制后再通过平凹输出镜，输出调Q脉冲。
为了抑制锁模激光的产生，所述谐振腔越短越好，以长度1cm为佳。
进一步优选的，所述泵浦源为发射波长808nm的LD激光器。所述前腔镜为平面镜，靠近泵浦源一端表面镀以对808nm增透的介质膜，靠近谐振腔一端表面镀以对1.05―1.07μm高反射的介质膜。
所述激光增益介质是Nd:YAG晶体。
所述平凹输出镜半径为10-1000mm，其凹面镀以对1.05―1.07μm部分反射、反射率为80%-99%之间的介质膜，其平面镀以对1.05―1.07μm增透的介质膜。
2、根据上述的全固态激光用脉冲调制激光器，优选的，基于拓扑绝缘体的全固态激光用脉冲调制激光器是端面泵浦拓扑绝缘体锁模器件激光器：
一种端面泵浦拓扑绝缘体锁模器件激光器，包括泵浦源，光纤耦合系统，聚焦系统，前腔镜，激光增益介质，平凹反射镜，拓扑绝缘体调制器件，平平输出镜。前腔镜和输出镜构成的谐振腔采用V型腔，泵浦光经光纤耦合系统、聚焦系统和前腔镜输入到激光增益介质中，经平凹反射镜反射后通过拓扑绝缘体调制器件，最后通过平平输出镜输出锁模脉冲。
进一步优选的，所述泵浦源为发射波长976nm的LD激光器。前腔镜为平面镜，靠近泵浦源一端表面镀以对976nm增透的介质膜，靠近谐振腔一端表面镀以对1.03―1.08μm高反射的介质膜。
所述激光增益介质是Yb:GdVO4晶体，泵浦光入射端面镀有对976nm、1.03―1.08μm增透的介质膜，在输出端面上镀以对1.03―1.08μm增透的介质膜。
所述平凹反射镜的凹面镀以对1.03―1.08μm高反射的介质膜。
所述输出镜靠近谐振腔一端镀以对1.03―1.08μm部分反射的介质膜，另一端镀以对1.03―1.08μm增透介质膜。
3、根据上述的全固态激光用脉冲调制激光器，优选的，基于拓扑绝缘体的全固态激光用脉冲调制激光器是侧面泵浦拓扑绝缘体调Q器件激光器：
一种侧面泵浦拓扑绝缘体调Q器件激光器，包括前腔镜，泵浦源，激光增益介质，拓扑绝缘体调制器件，平平输出镜。前腔镜和输出镜构成的谐振腔采用直腔。泵浦光输入到激光增益介质侧面，产生激光经拓扑绝缘体调制器件调制后再通过平平输出镜，输出调Q脉冲。
进一步优选的，所述泵浦源为氙灯。所述前腔镜为平面镜，靠近谐振腔一端表面镀以对1.05―1.07μm高反射的介质膜。
所述激光增益介质是Yb:YAG晶体。
所述平凹输出镜半径为10-1000mm，其凹面镀以对1.05―1.07μm部分反射、反射率为80%―99%的介质膜，其平面镀以对1.05―1.07μm增透的介质膜。
本发明提供的拓扑绝缘体脉冲调制器件可用于对产生可见光、红外或紫外的全固态激光进行调Q和锁模，包括了半导体、激光晶体、激光陶瓷以及激光玻璃产生的激光，可实现脉冲激光的调制。加大泵浦功率可以获得脉冲激光输出。
本发明提供的拓扑绝缘体脉冲调制时，具有以下优势：
1.对波长不敏感。拓扑绝缘体材料具有对波长不敏感的特性，可实现对紫外到红外波段激光的调制，是一类“通用”开关。
2.有利于产业化，进行批量生产。拓扑绝缘体材料是纳米材料领域熟知材料，具有成熟的制备技术，衬底可选用石英、蓝宝石等各种材料，其尺寸的大小决定于其衬底的大小。正是由于其材料制备和对衬底不敏感的特性，该类调制器件具有可产业化以及批量生产的潜力。
附图说明
图1为本发明的石英衬底上生长的拓扑绝缘体Bi2Se3的实物图。
图2为本发明拓扑绝缘体脉冲调制器件的结构示意图，其中，1.拓扑绝缘体，2.衬底。
图3为LD端面泵浦、基于拓扑绝缘体的全固态激光用脉冲调制激光器结构示意图，拓扑绝缘体调制器件作为调Q器件的激光器件，其中，3.泵浦源，4.光纤耦合系统，5.聚焦系统，6.前腔镜，7.激光增益介质，8.拓扑绝缘体调制器件，9.平凹输出镜。
图4为LD端面泵浦、基于拓扑绝缘体的全固态激光用脉冲调制激光器结构示意图，拓扑绝缘体调制器件作为锁模器件的激光器件结构示意图，其中，10.平凹反射镜，11.平平输出镜。
图5为氙灯侧面泵浦、基于拓扑绝缘体的全固态激光用脉冲调制激光器结构示意图，拓扑绝缘体调制器件作为调Q器件的激光器件结构示意图，其中12.氙灯。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施方式，其中在对附图的说明中对于相同的要素赋予相同的符号，省略重复的描述。
实施例1：
拓扑绝缘体脉冲调制器件，包括衬底和沉积在衬底上面的拓扑绝缘体材料，结构如图2所示，衬底选择石英衬底；所述拓扑绝缘体材料为Bi2Se3，厚度为50nm，加工为圆形片，实物照片如图1所示。
在石英衬底上生长的Bi2Se3拓扑绝缘体其制备方法是以石英为衬底，采用化学沉积法获得，参见孙正亮的论文“化学浴沉积法合成硒化铋纳米结构薄膜”，材料科学与工程学报，2010年第28卷第2期，249页。
本实施例的拓扑绝缘体脉冲调制器件应用于以下实施例中作为全固态激光用脉冲调制激光器的调Q器件（实施例2、实施例3、实施例6）或锁模器件（实施例4、实施例5）。
实施例2：一种端面泵浦拓扑绝缘体调Q器件激光器
结构如图3所示，该装置包括泵浦源（3）、光纤耦合系统（4）、聚焦系统（5）、前腔镜（6）、激光增益介质（7）、拓扑绝缘体调制器件（8）以及输出镜（9）七部分。
泵浦源（3）为发射波长808nm的LD激光器。前腔镜（6）为一平面镜，靠近泵浦源一端表面镀以对808nm增透的介质膜，靠近谐振腔一端表面镀以对1.05―1.07μm高反射的介质膜。激光增益介质（7）是Nd:YAG晶体，Nd3＋离子浓度为0.5-10at.%，入射端面镀有对808nm、1064nm增透的介质膜，出射端面上镀以对1064nm增透的介质膜。拓扑绝缘体调制器件（8）的石英衬底未生长拓扑绝缘体的面不镀膜。输出镜（9）为一半径为100mm的平凹镜，凹面镀以对1.05―1.07μm部分反射的介质膜，其反射率为80%-99%，平面镀以对1.05―1.07μm增透的介质膜。利用拓扑绝缘体材料实现调Q激光输出，加大泵浦功率，可直接输出调Q脉冲激光。
实施例3：
如实施例2所述，所不同的是拓扑绝缘体调制器件衬底为蓝宝石晶体并且其未生长拓扑绝缘体的面镀以对1064nm增透的介质膜。
实施例4：一种端面泵浦拓扑绝缘体锁模器件激光器
结构如图4所示，该装置包括泵浦源（3）、光纤耦合系统（4）、聚焦系统（5）、前腔镜（6）、激光增益介质（7）、平凹反射镜（10）、拓扑绝缘体调制器件（8）以及输出镜（11）八部分。泵浦源（3）为发射波长976nm的LD激光器。前腔镜（6）为一平面镜，靠近泵浦源一端表面镀以对976nm增透的介质膜，靠近谐振腔一端表面镀以对1.03―1.08μm高反射的介质膜。激光增益介质（7）是Yb:GdVO4晶体，其Yb3＋离子浓度约为1at.%，入射端面镀有对976nm、1.03―1.08μm增透的介质膜，出射端面镀有对1.03―1.08μm增透的介质膜。平凹反射镜（10）为平凹镜，凹面镀以对1.03―1.08μm高反射的介质膜。拓扑绝缘体调制器件（8）的石英衬底未生长拓扑绝缘体的面不镀膜。输出镜（11）靠近谐振腔一端镀以对1.03―1.08μm反射率约为97%的部分反射介质膜，另一端镀以对1.03―1.08μm增透的介质膜。利用拓扑绝缘体材料实现锁模激光输出，加大泵浦功率，可直接输出锁模脉冲激光。
实施例5：
如实施例4所述，所不同的是拓扑绝缘体调制器件的石英衬底上未生长拓扑绝缘体的表面镀以对1.03―1.08μm增透的介质膜。
实施例6：一种侧面泵浦拓扑绝缘体调Q器件激光器
结构如图5所示，该装置包括前腔镜（6），泵浦源（12），激光增益介质（7），拓扑绝缘体调制器件（8）以及输出镜（11）。前腔镜（6）为一平面镜，靠近谐振腔一端表面镀以对1.05―1.07μm高反射的介质膜。泵浦源（12）为氙灯，采用侧面泵浦的方式。增益介质（7）为Yb:YAG晶体。输出镜（11）靠近谐振腔一端表面镀以对1.05―1.07μm反射率为99%的介质膜，另一端镀以对1.05―1.07μm增透的介质膜。拓扑绝缘体调制器件（8）的石英衬底未生长拓扑绝缘体的面不镀膜。利用拓扑绝缘体材料实现调Q激光输出，加大泵浦功率，可直接输出调Q脉冲激光。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变型，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.拓扑绝缘体脉冲调制器件，包括衬底和沉积在衬底上面的拓扑绝缘体材料，衬底选择石英衬底或蓝宝石衬底；所述拓扑绝缘体材料选自Bi2Se3、Bi2Te3或Sb2Te3。
2.如权利要求1所述的拓扑绝缘体脉冲调制器件，其特征在于所述衬底厚度为1-2mm；所述沉积在衬底上面的拓扑绝缘体材料厚度为10-100纳米。
3.如权利要求1所述的拓扑绝缘体脉冲调制器件，其特征在于在衬底上未载有拓扑绝缘体的一面镀有利于激光振荡的介质膜。
4.一种基于拓扑绝缘体的全固态激光用脉冲调制激光器，包括泵浦源，前腔镜，激光增益介质，拓扑绝缘体调制器件，输出镜；所述的前腔镜和输出镜组成谐振腔，前腔镜镀以对激光波段高反射介质膜，输出镜镀以对激光波段部分反射介质膜；将权利要求1-3任一项所述的拓扑绝缘体调制器件放于全固态激光器的谐振腔内，制成调Q器件或锁模器件的激光器。
5.如权利要求4所述的全固态激光用脉冲调制激光器，其特征在于所述的激光增益介质是半导体、激光晶体、激光陶瓷或者激光玻璃等所有能产生激光增益的介质，加工成圆柱体或者长方体，其端面镀以有利于泵浦光的吸收和激光振荡的介质膜或不镀膜；优选的，所述的激光增益介质是钕掺杂钇铝石榴石（Nd:YAG）晶体或Yb:GdVO4晶体，Nd:YAG的Nd3＋离子浓度为0.5-10at.%；Yb:GdVO4晶体的Yb3＋离子浓度为0.5-20at.%。
6.如权利要求4所述的全固态激光用脉冲调制激光器，其特征在于所述脉冲调制激光器为端面泵浦拓扑绝缘体调Q器件激光器，包括泵浦源，光纤耦合系统，聚焦系统，前腔镜，激光增益介质，拓扑绝缘体调制器件，平凹输出镜。前腔镜和输出镜构成的谐振腔采用直腔，谐振腔长度为1-10cm，优选1cm；泵浦光经光纤耦合系统、聚焦系统和前腔镜输入到激光增益介质中，产生激光经拓扑绝缘体调制器件调制后再通过平凹输出镜，输出调Q脉冲。
7.如权利要求6所述的全固态激光用脉冲调制激光器，其特征在于所述泵浦源为发射波长808nm的LD激光器；所述前腔镜为平面镜，靠近泵浦源一端表面镀以对808nm增透的介质膜，另一端表面镀以对1.05―1.07μm高反射的介质膜；所述激光增益介质是Nd:YAG晶体；所述平凹输出镜半径为10-1000mm，其凹面镀以对1.05―1.07μm反射率为80%-99%的部分反射介质膜，其平面镀以对1.05―1.07μm增透的介质膜。
8.如权利要求4所述的全固态激光用脉冲调制激光器，其特征在于所述脉冲调制激光器为端面泵浦拓扑绝缘体锁模器件激光器，包括泵浦源，光纤耦合系统，聚焦系统，前腔镜，激光增益介质，平凹反射镜，拓扑绝缘体调制器件，平平输出镜。前腔镜和输出镜构成的谐振腔采用V型腔，泵浦光经光纤耦合系统、聚焦系统和前腔镜输入到激光增益介质中，经平凹反射镜反射后通过拓扑绝缘体调制器件，最后通过平平输出镜输出锁模脉冲。
9.如权利要求8所述的全固态激光用脉冲调制激光器，其特征在于所述泵浦源为发射波长976nm的LD激光器；前腔镜为平面镜，靠近泵浦源一端表面镀以对976nm增透的介质膜，另一端镀以对1.03―1.08μm高反射的介质膜；所述激光增益介质是Yb:GdVO4晶体，泵浦光入射端面镀有对976nm、1.03―1.08μm增透的介质膜，在输出端一面镀有对1.03―1.08μm增透的介质膜；所述平凹反射镜的凹面镀以对1.03―1.08μm高反射的介质膜；所述输出镜靠近谐振腔一端表面镀以对1.03―1.08μm反射率为80%-99%的部分反射介质膜，另一端镀以对1.03―1.08μm增透的介质膜。
10.如权利要求4所述的全固态激光用脉冲调制激光器，其特征在于所述脉冲调制激光器为侧面泵浦拓扑绝缘体调Q器件激光器，包括前腔镜，泵浦源，激光增益介质，拓扑绝缘体调制器件，平平输出镜；前腔镜和输出镜构成的谐振腔采用直腔；泵浦光输入到激光增益介质侧面，产生激光经拓扑绝缘体调制器件调制后再通过平平输出镜，输出调Q脉冲；其中，所述泵浦源为氙灯；所述前腔镜为平面镜，靠近谐振腔一端表面镀以对1.05―1.07μm高反射的介质膜；所述激光增益介质是Yb:YAG晶体；
所述平凹输出镜半径为10-1000mm，其凹面镀以对1.05―1.07μm部分反射、反射率为80%-99%的介质膜，其平面镀以对1.05―1.07μm增透的介质膜。
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