CN104836105A - 基于碳纳米管可饱和吸收镜的中红外脉冲光学参量振荡器 - Google Patents

基于碳纳米管可饱和吸收镜的中红外脉冲光学参量振荡器 Download PDF

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常建华
桂诗信
严娜
郭跃
唐安庆
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Abstract

本发明公开了基于碳纳米管可饱和吸收镜的中红外脉冲光学参量振荡器，包括LD激光二极管、Nd:YVO4晶体、碳纳米管可饱和吸收镜、MgO:PPLN晶体、第一～第二平凹镜、TEC制冷平台、温控炉，LD激光二极管、Nd:YVO4晶体、碳纳米管可饱和吸收镜、第一平凹镜、MgO:PPLN晶体、第二平凹镜从左到右依次排列并在同一水平面，第一、第二平凹镜的凹面均朝向MgO:PPLN晶体，TEC制冷平台置于Nd:YVO4晶体下方且与之接触，温控炉置于MgO:PPLN晶体下方且与之接触。本发明采用单壁碳纳米管制备可饱和吸收镜，具有恢复时间快、饱和光强度低、工作光谱范围宽且制备方法简单、成本低、化学稳定性好的特点；利用碳纳米管可饱和吸收镜作为被动锁模器件，可以实现ps～fs量级的超短脉冲激光输出，大大提高了输出脉冲功率和重复频率。

Description

基于碳纳米管可饱和吸收镜的中红外脉冲光学参量振荡器
技术领域
本发明涉及基于碳纳米管可饱和吸收镜的中红外脉冲光学参量振荡器，属于参量振荡器技术领域。
背景技术
激光器的工作方式有两种：连续激光输出和脉冲激光输出，脉宽在皮秒甚至飞秒量级的中红外超短脉冲激光在军事对抗、大气环境监测、激光光谱分析、医疗诊断以及特殊环境远距离监控等诸多领域具有广泛的应用价值和前景。光学参量振荡器(OPO)作为一种可调谐、高相干光源，是获取中红外脉冲激光输出的一种重要手段。
调Q和锁模是产生脉冲激光的两种有效方式，较之于激光调Q技术，锁模技术有以下优点：一方面可以得到更窄的脉宽输出(调Q技术可以产生μs～ns量级的脉冲，锁模技术可以产生ps～fs量级的脉冲)；另一方面可以得到更高的峰值功率输出，可以达到T瓦量级甚至更高。锁模技术的工作方式一般有三种：主动锁模方式、被动锁模方式以及自锁模方式。主动锁模又可分为相位调制型锁模和振幅调制型锁模，然而这两种锁模调制光波类似，存在一系列波带，而且锁模不稳定。而自锁模激光器，由于噪声脉冲达不到自锁模的自启动阈值，往往需要采用附加措施来启动。被动锁模是通过在激光谐振腔内加入具有可饱和吸收特性材料制成的可饱和吸收体(SA)，利用材料本身独特的非线性光学特性产生脉冲激光输出。目前常用的可饱和吸收体存在着稳定性差、工作波长范围窄以及制备工艺复杂等诸多缺陷。
早期产生中红外脉冲输出的方案，大多采用近红外脉冲激光器泵浦非线性晶体的方式，需要严格设计谐振腔的腔长和晶体的尺寸大小，以配合脉冲激光泵浦非线性晶体，转换效率不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于碳纳米管可饱和吸收镜的中红外脉冲光学参量振荡器，克服现有脉冲激光器输出脉冲宽、峰值功率低、转化效率不高以及可饱和吸收体制备复杂的劣势。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
基于碳纳米管可饱和吸收镜的中红外脉冲光学参量振荡器，包括LD激光二极管、Nd:YVO4晶体、碳纳米管可饱和吸收镜、MgO:PPLN晶体、第一～第二平凹镜、TEC制冷平台、温控炉，所述LD激光二极管、Nd:YVO4晶体、碳纳米管可饱和吸收镜、第一平凹镜、MgO:PPLN晶体、第二平凹镜从左到右依次排列并在同一水平面，第一、第二平凹镜的凹面均朝向MgO:PPLN晶体，所述TEC制冷平台置于Nd:YVO4晶体下方且与之接触，温控炉置于MgO:PPLN晶体下方且与之接触；LD激光二极管发出的激光经Nd:YVO4晶体产生1064nm的连续激光，进入碳纳米管可饱和吸收镜后产生1064nm的脉冲激光，该脉冲激光经MgO:PPLN晶体后输出中红外脉冲激光；
所述Nd:YVO4晶体朝向LD激光二极管的一面镀有与LD激光二极管输出激光的中心波长相同大小的增透膜和1064nm的高反膜，另一面镀有1064nm的增透膜和与LD激光二极管输出激光的中心波长相同大小的高反膜；
所述碳纳米管可饱和吸收镜朝向Nd:YVO4晶体的一面及朝向第一平凹镜的一面均镀有1064nm的增透膜；
所述第一平凹镜的平面和凹面均镀有1064nm的增透膜且凹面还镀有对1450nm-1650nm的高反膜；
所述MgO:PPLN晶体的朝向第一、第二平凹镜的面上均镀有对1064nm、1450nm-1650nm、3000nm-4000nm的增透膜；
所述第二平凹镜的平面镀有对3000nm-4000nm的增透膜，凹面镀有对1064nm、1450nm-1650nm的高反膜。
进一步的，该振荡器还包括紫铜块，所述紫铜块位于LD激光二极管和TEC制冷平台之间。
优选的，所述LD激光二极管输出激光的中心波长为808nm。
优选的，所述Nd:YVO4晶体的长为3mm、宽为3mm、厚为2mm。
优选的，所述MgO:PPLN晶体的长为30mm、宽为10mm、厚为1mm。
优选的，所述TEC制冷平台控制Nd:YVO4晶体的温度为25℃。
优选的，所述温控炉控制MgO:PPLN晶体的温度为20℃-350℃。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明采用单壁碳纳米管制备可饱和吸收镜，具有恢复时间快(＜1ps)、饱和光强度低、工作光谱范围宽且制备方法简单、成本低、化学稳定性好的特点。
2、本发明采用碳纳米管可饱和吸收镜作为被动锁模器件，可以实现ps～fs量级的超短脉冲激光输出，大大提高了输出脉冲功率和重复频率。
3、本发明可以实现泵浦光腔内来回振荡，且闲频光在谐振腔内往返一次能获得双程增益，从而可降低振荡阈值，提高转换效率。
4、本发明利用连续光直接产生脉冲激光泵浦MgO:PPLN晶体得到中红外激光输出，避免了走离效应。
5、本发明具有结构简单、全固化、易于操作、便于推广使用的特点。
附图说明
图1是本发明基于碳纳米管可饱和吸收镜的中红外脉冲光学参量振荡器的整体架构图。
其中：1为碳纳米管可饱和吸收镜、2为第一平凹镜、3为第二平凹镜、4为Nd:YVO4晶体、5为MgO:PPLN晶体、6为LD激光二极管、7为TEC制冷平台、8为温控炉、9为紫铜块。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
近年来兴起的碳纳米材料引起了人们广泛关注，单壁碳纳米管在形成时其直径大小(1～2nm)的分布范围小，缺陷少，不容易被氧化具有更高的均匀一致性。基于单壁碳纳米管制备的SA具有恢复时间快(＜1ps)、饱和光强低、锁模自启动、工作光谱范围宽且制备工艺简单、成本低、化学稳定性好等优点。
本发明首次采用基于单壁碳纳米管制备的可饱和吸收镜作为中红外脉冲光学参量振荡器的被动锁模器件，利用连续光直接产生脉冲激光泵浦MgO:PPLN晶体提高了转化效率，可以实现ps～fs量级的超短中红外脉冲激光输出。
如图1所示，一种基于碳纳米管可饱和吸收镜的中红外脉冲光学参量振荡器，包括：LD激光二极管6、Nd:YVO4晶体4、TEC制冷平台7、碳纳米管可饱和吸收镜1、第一平凹镜2、MgO:PPLN晶体5、温控炉8、第二平凹镜3，Nd:YVO4晶体、碳纳米管可饱和吸收镜、第一平凹镜、MgO:PPLN晶体、第二平凹镜从左到右依次排列并在同一水平面上。
LD激光二极管最大输出功率为5W，中心波长为808nm。
Nd:YVO4晶体采用a轴切割，尺寸3mm×3mm×2mm，Nd3+离子掺杂浓度1％，左端面S1镀808nm的增透膜和1064nm的高反膜，右端面S2镀1064nm的增透膜和808nm的高反膜。
作为优选，TEC制冷平台置于Nd:YVO4晶体下方并控制Nd:YVO4晶体的温度在25℃，控制精度为0.1℃。
为了让LD激光二极管对准Nd:YVO4晶体的中线并达到降温的效果，LD激光二极管下方最好设置紫铜块9。
碳纳米管可饱和吸收镜1，其基底是普通的K9玻璃，左端面S3和右端面S4均镀有1064nm的增透膜，镜子上黑色阴影部分(S3面)为单壁碳纳米管-PVA薄膜。
第一平凹镜的双面均镀有1064nm的增透膜且凹面镀有对1450nm-1650nm的激光高反膜。
MgO:PPLN晶体长30mm、宽10mm、厚1mm，其中MgO的浓度为5％，且周期为30μm。并且镀有对泵浦光(1064nm)、信号光(1450nm-1650nm)、闲频光(3000nm-4000nm)的增透膜。
温控炉置于MgO:PPLN晶体的下方并控制其温度，控制精度为0.1℃，调谐范围为20℃-350℃。
第二平凹镜，其凹面镀有对泵浦光和信号光的高反膜，平面镀有对闲频光的增透膜。
碳纳米管可饱和吸收镜1是本发明的关键组成部分，这里简单讲述一下其制备过程。将单壁碳纳米管粉末加入到有机溶剂中，为了使单壁碳纳米管均匀分散可以在有机溶剂中加入一定量的聚乙烯醇(PVA)作为分散剂，然后采用超声波处理使其均匀分散，对所得到的单壁碳纳米管分散液进行离心处理；并将有机胶体加入离心后所得单壁碳纳米管上清液中，再次采用超声波处理使两者混合均匀，得到两者均匀的混合液；采用旋涂法，将上述的混合液旋涂于以K9玻璃为基底的增透镜上，就得到可饱和吸收镜。碳纳米管可饱和吸收镜1的工作原理是可饱和吸收体对腔内激光的吸收是随光场强度而变化的，当光强较弱时对光吸收很强，腔内损耗大，因此光透过率很低。随着光强的增大其对光的吸收减小，腔内损耗小，当超过特定值时吸收饱和，光透过率达100％，使光强最大的激光脉冲受到最小的损耗，便会输出强脉冲激光。
本发明基于单壁碳纳米管可饱和吸收镜的中红外脉冲光学参量振荡器，其工作原理是：利用808nm的LD激光二极管经过Nd:YVO4晶体产生1064nm的连续激光并进入碳纳米管可饱和吸收镜1，利用其本身独特的非线性光学特性从而得到1064nm的脉冲激光作为OPO的泵浦光，再经过所述的MgO:PPLN晶体产生中红外脉冲激光输出。通过在第一平凹镜2双面镀1064nm的增透膜且凹面镀对信号光的高反膜，在MgO:PPLN晶体两端面镀对泵浦光、信号光、闲频光的增透膜，在第二平凹镜3凹面镀对泵浦光、信号光的高反膜且平面镀对闲频光的增透膜，形成单谐振中红外OPO脉冲激光器。该装置是通过温控炉来精确控制MgO:PPLN晶体的温度从而对输出闲频光进行调谐。整个过程中需要严格控制晶体的温度使得调谐不受温度的影响而产生误差。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.基于碳纳米管可饱和吸收镜的中红外脉冲光学参量振荡器，其特征在于：包括LD激光二极管、Nd:YVO4晶体、碳纳米管可饱和吸收镜、MgO:PPLN晶体、第一～第二平凹镜、TEC制冷平台、温控炉，所述LD激光二极管、Nd:YVO4晶体、碳纳米管可饱和吸收镜、第一平凹镜、MgO:PPLN晶体、第二平凹镜从左到右依次排列并在同一水平面，第一、第二平凹镜的凹面均朝向MgO:PPLN晶体，所述TEC制冷平台置于Nd:YVO4晶体下方且与之接触，温控炉置于MgO:PPLN晶体下方且与之接触；LD激光二极管发出的激光经Nd:YVO4晶体产生1064nm的连续激光，进入碳纳米管可饱和吸收镜后产生1064nm的脉冲激光，该脉冲激光经MgO:PPLN晶体后输出中红外脉冲激光；
所述Nd:YVO4晶体朝向LD激光二极管的一面镀有与LD激光二极管输出激光的中心波长相同大小的增透膜和1064nm的高反膜，另一面镀有1064nm的增透膜和与LD激光二极管输出激光的中心波长相同大小的高反膜；
所述碳纳米管可饱和吸收镜朝向Nd:YVO4晶体的一面及朝向第一平凹镜的一面均镀有1064nm的增透膜；
所述第一平凹镜的平面和凹面均镀有1064nm的增透膜且凹面还镀有对1450nm-1650nm的高反膜；
所述MgO:PPLN晶体的朝向第一、第二平凹镜的面上均镀有对1064nm、1450nm-1650nm、3000nm-4000nm的增透膜；
所述第二平凹镜的平面镀有对3000nm-4000nm的增透膜，凹面镀有对1064nm、1450nm-1650nm的高反膜。
2.如权利要求1所述基于碳纳米管可饱和吸收镜的中红外脉冲光学参量振荡器，其特征在于：该振荡器还包括紫铜块，所述紫铜块位于LD激光二极管和TEC制冷平台之间。
3.如权利要求1或2所述基于碳纳米管可饱和吸收镜的中红外脉冲光学参量振荡器，其特征在于：所述LD激光二极管输出激光的中心波长为808nm。
4.如权利要求1或2所述基于碳纳米管可饱和吸收镜的中红外脉冲光学参量振荡器，其特征在于：所述Nd:YVO4晶体的长为3mm、宽为3mm、厚为2mm。
5.如权利要求1或2所述基于碳纳米管可饱和吸收镜的中红外脉冲光学参量振荡器，其特征在于：所述MgO:PPLN晶体的长为30mm、宽为10mm、厚为1mm。
6.如权利要求1或2所述基于碳纳米管可饱和吸收镜的中红外脉冲光学参量振荡器，其特征在于：所述TEC制冷平台控制Nd:YVO4晶体的温度为25℃。
7.如权利要求1或2所述基于碳纳米管可饱和吸收镜的中红外脉冲光学参量振荡器，其特征在于：所述温控炉控制MgO:PPLN晶体的温度为20℃-350℃。
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