CN106451050B - 一种全固态宽带可调谐中红外超短脉冲激光器 - Google Patents

一种全固态宽带可调谐中红外超短脉冲激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及中红外超短脉冲激光技术领域，尤其涉及一种全固态宽带可调谐中红外超短脉冲激光器，包括激光泵浦源、对所述激光泵浦源产生的激光分束的第一二色镜、位于第一二色镜反射光路上的第一激光器谐振部、位于第一二色镜透射光路上的第二激光器谐振部、位于第一激光器谐振部输入端的第一凸透镜、位于第二激光器谐振部输入端的第三凸透镜、位于第一激光器谐振部的第一反馈终端的反射光路和第二激光器谐振部的第二反馈终端的反射光路交汇处的第三二色镜、位于第三二色镜合束输出端的波长调谐模块，在第一激光器谐振部的输出光路与第二激光器谐振部的输出光路的交汇处设置有第九二色镜，从而输出调谐后的中红外超短脉冲激光。

Description

一种全固态宽带可调谐中红外超短脉冲激光器
技术领域
本发明涉及中红外超短脉冲激光技术领域，尤其涉及一种全固态宽带可调谐中红外超短脉冲激光器。
背景技术
3～5μm中红外超短脉冲激光因在时间分辨光谱、半导体动力学特性研究、特殊材料精细加工、生物组织微创、超连续谱激光产生等诸多领域的巨大应用前景，近年来受到人们的广泛关注，目前，实现中红外激光输出的方法主要包括半导体激光器、气体激光器、固体激光器、自由电子激光等方法，其中，固体激光器因具有效率高、体积小和重量轻等优点成为实现中红外激光输出最为有效且实用的技术途径。具体来说，中红外固体激光器又可以分为两大类，第一类是采用具有中红外激光辐射潜力的过渡金属离子掺杂晶体或稀土离子掺杂光纤作为增益介质，通过直接泵浦激发能级受激辐射的方式产生中红外激光，第二类则是利用晶体的非线性效应将可见或近红外激光的频率变换到中红外波段。相比前者，后者在产生超短脉冲激光时通常需要采用高峰值功率的超短脉冲激光作为泵浦，大大提升了系统的设计难度。锁模技术作为实现超短脉冲最为简单和可靠的方法，可用于第一类固体激光器中，在全固态结构下实现中红外超短脉冲激光输出。近年来，随着过渡金属离子掺杂晶体和稀土离子掺杂光纤制备工艺的不断成熟，第一类固体激光器取得了快速的发展。2014年，澳大利亚阿德莱德大学Ori Henderson-Sapir等人率先提出了双波长级联泵浦稀土离子掺杂光纤激发高能级受激辐射的方法，并在掺Er3+氟化物光纤中实现了3.33～3.78μm宽带可调谐的光纤激光输出，然而受红外稀土离子掺杂能力、红外光纤损耗水平等的限制，目前还难以实现波长超过4μm的中红外光纤激光输出。相比稀土离子掺杂光纤激光器，过渡金属掺杂II-VI族硫化物晶体激光器具有中红外宽带辐射潜力，可实现波长大于4μm的激光输出(如：Fe2+:ZnS晶体(3.49～4.65μm)、Fe2+:ZnSe晶体(3.77～5.05μm)、Fe2+:ZnTe晶体(4.35～5.45μm)、Fe2+:CdSe晶体(4.7～6.1μm)、Cr2+:CdSe晶体(2.26～3.61μm)、Cd0.55Mn0.45Te(2.17～3.01μm)、Cr2+:ZnSe(1.88～3.1μm)等等)，因此，在3～5μm超短脉冲激光产生方面具有巨大潜力。
然而，现有单个过渡金属掺杂II-VI族硫化物晶体激光系统难以实现3～5μm中红外波段宽范围覆盖和波长调谐，而且，如果将多彩过渡金属掺杂II-VI族硫化物晶体激光器输出激光进行简单的合束处理从而实现3～5μm波长覆盖通常需要采用多台激光泵浦源，大大增加了系统的复杂程度；同时，又由于受限于半导体可饱和吸收镜的工作带宽，在波长超过3μm的中红外波段，难以采用可饱和吸收体锁模的方式实现中红外超短脉冲激光输出。
因此，针对第一类固体激光器，现有技术中存在无法获得可调谐的3～5μm中红外超短脉冲激光的技术问题。
发明内容
本发明实施例通过提供一种全固态宽带可调谐中红外超短脉冲激光器，解决了针对第一类固体激光器现有技术中存在无法获得可调谐的3～5μm中红外超短脉冲激光的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种全固态宽带可调谐中红外超短脉冲激光器，包括激光泵浦源、对所述激光泵浦源产生的激光分束的第一二色镜、位于第一二色镜反射光路上的第一激光器谐振部、位于第一二色镜透射光路上的第二激光器谐振部、位于第一激光器谐振部输入端的第一凸透镜、位于第二激光器谐振部输入端的第三凸透镜、位于第一激光器谐振部的第一反馈终端的反射光路和第二激光器谐振部的第二反馈终端的反射光路交汇处的第三二色镜、位于第三二色镜合束输出端的波长调谐模块；
第一激光器谐振部包括依次排布的第一平凹透镜、Cr2+:CdSe晶体、第二平凹透镜、第四二色镜，所述第四二色镜位于激光经第一平凹透镜、Cr2+:CdSe晶体入射于第二平凹透镜后的反射光路上，所述第四二色镜作为第一反馈终端或第一输出终端；
第二激光器谐振部包括依次排布的第三平凹透镜、Fe2+:ZnSe晶体、第四平凹透镜、第六二色镜，所述第六二色镜位于激光经第三平凹透镜、Fe2+:ZnSe晶体入射于第四平凹透镜后的反射光路上，所述第六二色镜作为第二反馈终端或第二输出终端；
波长调谐模块包括依次排布的第二凸透镜、沉积二维材料的镀金反射镜；
在第一激光器谐振部的输出光路与第二激光器谐振部的输出光路的交汇处设置有第九二色镜；
激光泵浦源发出的激光经第一二色镜分束后获得2μm波长的激光和3μm波长的激光，2μm波长的激光经第一凸透镜聚焦进入所述第一激光器谐振部内，使得所述Cr2+:CdSe晶体产生3～3.7μm波长的激光，由第一反馈终端反射，3μm波长的激光经第三凸透镜聚焦进入第二激光器谐振部内，使得Fe2+:ZnSe晶体产生3.7～5μm波长的激光，由第二反馈终端反射，第三二色镜对第一反馈终端反射的激光和第二反馈终端反射的激光合束，并将合束激光经波长调谐模块的调谐，使得由第一激光谐振部输出的激光和第二激光谐振部输出的激光经第九二色镜合束，输出调谐后的中红外超短脉冲激光。
进一步地，所述激光泵浦源具体为级联掺Ho3+氟化物光纤激光器，用于同时产生2μm和3μm波长的激光。
进一步地，在第一二色镜的反射光路上，且在所述第一激光器谐振部之前还设置有第二二色镜，用于改变光路。
进一步地，在第一输出终端的输出光路上设置第五二色镜，在第二输出终端的输出光路上依次设置第七二色镜、第八二色镜，所述第五二色镜、第七二色镜、第八二色镜均用于改变光路，使得由第一输出终端输出的激光和第二输出终端输出的激光交汇。
进一步地，所述第一反馈终端反射的3～3.7μm波长的激光经第二平凹透镜的高反、第一平凹透镜的高反到达第三二色镜，所述第二反馈终端反射的3.7～5μm波长的激光经第四平凹透镜高反、第三平凹透镜的高反到达第三二色镜。
进一步地，所述第三二色镜用于对第一反馈终端反射的3～3.7μm波长的激光高反，对第二反馈终端反射的3.7～5μm波长的激光高透，从而合束，合束后，经过第二凸透镜进行聚焦，射入沉积二维材料的镀金反射镜，调节所述沉积二维材料的镀金反射镜的轴向位置，实现对中红外超短脉冲激光的调谐。
采用本发明中的一个或者多个技术方案，具有如下有益效果：
1、本发明将Fe2+:ZnSe和Cr2+:CdSe两种过渡金属掺杂II-VI族硫化物晶体相组合，通过共用复合腔构建系统，可在单个系统中实现激光输出波长3～5μm区域的有效覆盖和宽带调谐。
2、本发明仅利用级联掺Ho3+氟化物光纤激光器作为泵浦源，便可实现波长可覆盖3μm～5μm的过渡金属掺杂II-VI族硫化物晶体激光输出，减少了泵浦源数量，简化了系统结构。
3、本发明将具有超快响应时间、宽带可饱和吸收特性的二维材料与基于凸透镜色差的波长调谐机理相结合，不仅可实现超短脉冲激光波长宽带可调，同时还大大简化了系统结构。
4、本发明提出的宽带可调谐中红外超短脉冲激光产生方案具有良好的可移植性，可根据实际的波长需求，改变过渡金属掺杂II-VI族硫化物晶体种类及数量。
附图说明
图1为本发明实施例中全固态宽带可调谐中红外超短脉冲激光器的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种全固态宽带可调谐中红外超短脉冲激光器，解决了针对第一类固体激光器现有技术中存在无法获得可调谐的3～5μm中红外超短脉冲激光的技术问题。
为了解决上述技术问题，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对本发明的技术方案进行详细的说明。
本发明实施例提供了一种全固态宽带可调谐中红外超短脉冲激光器，如图1所示，包括：激光泵浦源1、对该激光泵浦源产生的激光分束的第一二色镜2、位于第一二色镜2反射光路上的第一激光器谐振部、位于该第一二色镜2透射光路上的第二激光器谐振部，位于第一激光谐振部输入端的第一凸透镜4，位于第二激光器谐振部输入端的第三凸透镜13，还包括位于第一激光器谐振部的第一反馈终端的反射光路和第二激光器谐振部的第二反馈终端的反射光路交汇处的第三二色镜6、位于该第三二色镜6合束输出端的波长调谐模块。
该激光泵浦源1具体为级联掺Ho3+氟化物光纤激光器，用于同时产生2μm和3μm波长的激光。该第一二色镜2能够将激光泵浦源1产生的激光分束，具体为对2μm波长的激光高反，对3μm波长的激光高透，使得分束后的激光分别进入第一激光器谐振部和第二激光器谐振部。在第一二色镜2的反射光路上，且在该第一激光器谐振部之前还设置有第二二色镜3，用来改变光路，以使得由第一激光器谐振部和第二激光器谐振部的最终输出的激光能够在光路上最终合成一束。
在具体的实施方式中，该第一激光器谐振部包括依次排布的第一平凹透镜5、Cr2+:CdSe晶体9、第二平凹透镜10、第四二色镜11，该第四二色镜位于激光经第一平凹透镜5、Cr2 +:CdSe晶体9入射于第二平凹透镜10后的反射光路上，作为第一反馈终端或第一输出终端，因此，该第四二色镜11能够部分透射和部分反射。2μm波长的激光经第一凸透镜4的聚焦，再经第一平凹透镜5的高透，激发Cr2+:CdSe晶体9，从而产生波长位于3～3.7μm区域的激光，然后，经第二平凹透镜10的高反，到达该第四二色镜11，该第四二色镜对反射的3～3.7μm波长的激光部分透射部分反射。
同理，该第二激光器谐振部包括依次排布的第三平凹透镜14、Fe2+:ZnSe晶体15、第四平凹透镜16、第六二色镜17，该第六二色镜17位于激光经第三平凹透镜14、Fe2+:ZnSe晶体15入射于第四平凹透镜16后的反射光路上，作为第二反馈终端或者第二输出终端。3μm波长的激光经第三凸透镜13聚焦，再经第三平凹透镜14高透，激发Fe2+:ZnSe晶体15，从而产生波长位于3.7～5μm区域的激光，然后，经第四平凹透镜16的高反，到达第六二色镜17，该第六二色镜17对反射的3.7～5μm波长的激光部分透射部分反射。
上述的由激光泵浦光源1发射的激光分别进入第一激光器谐振部和第二激光器谐振部的情况。在第一激光器谐振部的第一反馈终端的反射光路和第二激光器谐振部的第二反馈终端的反射光路交汇处设置有第三二色镜6，在该第三二色镜6的合束输出端设置波长调谐模块，该波长调谐模块具体包括第二凸透镜7以及沉积二维材料的镀金反射镜8。
下面具体对该波长调谐模块进行描述。
由于该第一反馈终端反射的3～3.7μm波长的激光经第二平凹透镜10的高反和第一平凹透镜的高反到达第三二色镜6，该第二反馈终端反射的3.7～5μm波长的激光经第四平凹透镜16的高反和第三平凹透镜14的高反到达第三二色镜6，由于该第三二色镜6能够将3～3.7μm波长的激光和3.7～5μm波长的激光进行合束，具体是，该第三二色镜6能够使得3～3.7μm波长的激光全反，使得3.7～5μm波长的激光高透，然后将3.7～5μm波长的激光和3～3.7μm波长的激光经过第二凸透镜7进行聚焦，射入沉积二维材料的镀金反射镜8上，调节该沉积二维材料的镀金反射镜8的轴向位置，从而实现对中红外超短脉冲激光的调谐。这样使得该镀金反射镜8能够反射3～5μm波长的激光中的任意波长激光，通过反射到达第一反馈终端或第二反馈终端，也就是第四二色镜11或者是第六二色镜17，此时，第四二色镜11和第六二色镜17均作为输出终端，然后输出。
该沉积二维材料的镀金反射镜8具有三大作用，(1)基于二维材料的可饱和吸收特性，实现3～3.7μmCr2+:CdSe激光和3.7～5μmFe2+:ZnSe激光的锁模；(2)分别与第四二色镜11和第六二色镜17构成第一激光器谐振部的终端反馈和第二激光器谐振部的终端反馈；(3)能够对3～5μm波长的激光进行调谐。
具体地，由于经过第二凸透镜7的激光存在色差，当不同波长的激光经过第二凸透镜7，其焦点位置会随波长大小延光路轴向依次排列，因此，通过改变该沉积二维材料的镀金反射镜8的轴向位置，能够实现超短脉冲光纤激光波长调谐。
接着，该第一激光器谐振部的输出光路上设置有第五二色镜12，也就是该第四二色镜11的输出光路上设置有第五二色镜12，该第四二色镜11既可以作为反馈端，也可以作为输出端，由于该第四二色镜11能够将入射的激光部分反射部分透射，这样，该第五二色镜12具有高反功能，使得输出的3～3.7μm波长的激光改变光路。该第二激光谐振部的输出光路上设置有第七二色镜18，具有高反功能，使得输出的3.7～5μm波长的激光改变光路，在该第七二色镜18的反射光路上设置有第八二色镜19，该第八二色镜19用于改变光路，使得经过该第七二色镜18和第八二色镜19反射的激光与第五二色镜反射的激光12合束交汇。
这样改变光路之后的两种区域的波长激光交汇于一处，在该交汇处设置有第九二色镜20，能够将3.7～5μm波长的激光和3～3.7μm波长的激光合束，从而能够从该点输出位于3～5μm波长的任意波长激光。从而获得调谐后的任意中红外超短脉冲激光。
当然，上述是获得3～5μm波长的中红外超短脉冲激光的具体实施例，在改变过渡金属掺杂II-VI族硫化物晶体种类及数量时，还可以获得不同波长范围的超短脉冲激光，在本发明实施例中就不再详细赘述了。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种全固态宽带可调谐中红外超短脉冲激光器，其特征在于，包括激光泵浦源、对所述激光泵浦源产生的激光分束的第一二色镜、位于第一二色镜反射光路上的第一激光器谐振部、位于第一二色镜透射光路上的第二激光器谐振部、位于第一激光器谐振部输入端的第一凸透镜、位于第二激光器谐振部输入端的第三凸透镜、位于第一激光器谐振部的第一反馈终端的反射光路和第二激光器谐振部的第二反馈终端的反射光路交汇处的第三二色镜、位于第三二色镜合束输出端的波长调谐模块；
第一激光器谐振部包括依次排布的第一平凹透镜、Cr2+:CdSe晶体、第二平凹透镜、第四二色镜，所述第四二色镜位于激光经第一平凹透镜、Cr2+:CdSe晶体入射于第二平凹透镜后的反射光路上，所述第四二色镜作为第一反馈终端或第一输出终端；
第二激光器谐振部包括依次排布的第三平凹透镜、Fe2+:ZnSe晶体、第四平凹透镜、第六二色镜，所述第六二色镜位于激光经第三平凹透镜、Fe2+:ZnSe晶体入射于第四平凹透镜后的反射光路上，所述第六二色镜作为第二反馈终端或第二输出终端；
在第一输出终端的输出光路上设置第五二色镜，在第二输出终端的输出光路上依次设置第七二色镜、第八二色镜，所述第五二色镜、第七二色镜、第八二色镜均用于改变光路，使得由第一输出终端输出的激光和第二输出终端输出的激光交汇；
波长调谐模块包括依次排布的第二凸透镜、沉积二维材料的镀金反射镜；
在第一激光器谐振部的输出光路与第二激光器谐振部的输出光路的交汇处设置有第九二色镜；
激光泵浦源发出的激光经第一二色镜分束后获得2μm波长的激光和3μm波长的激光，2μm波长的激光经第一凸透镜聚焦进入所述第一激光器谐振部内，使得所述Cr2+:CdSe晶体产生3～3.7μm波长的激光，由第一反馈终端反射，3μm波长的激光经第三凸透镜聚焦进入第二激光器谐振部内，使得Fe2+:ZnSe晶体产生3.7～5μm波长的激光，由第二反馈终端反射，第三二色镜对第一反馈终端反射的激光和第二反馈终端反射的激光合束，并将合束激光经波长调谐模块的调谐，使得由第一激光谐振部输出的激光和第二激光谐振部输出的激光经第九二色镜合束，输出调谐后的中红外超短脉冲激光。
2.根据权利要求1所述的全固态宽带可调谐中红外超短脉冲激光器，其特征在于，所述激光泵浦源具体为级联掺Ho3+氟化物光纤激光器，用于同时产生2μm和3μm波长的激光。
3.根据权利要求1所述的全固态宽带可调谐中红外超短脉冲激光器，其特征在于，在第一二色镜的反射光路上，且在所述第一激光器谐振部之前还设置有第二二色镜，用于改变光路。
4.根据权利要求1所述的全固态宽带可调谐中红外超短脉冲激光器，其特征在于，所述第一反馈终端反射的3～3.7μm波长的激光经第二平凹透镜的高反、第一平凹透镜的高反到达第三二色镜，所述第二反馈终端反射的3.7～5μm波长的激光经第四平凹透镜高反、第三平凹透镜的高反到达第三二色镜。
5.根据权利要求1所述的全固态宽带可调谐中红外超短脉冲激光器，其特征在于，所述第三二色镜用于对第一反馈终端反射的3～3.7μm波长的激光高反，对第二反馈终端反射的3.7～5μm波长的激光高透，从而合束，合束后，经过第二凸透镜进行聚焦，射入沉积二维材料的镀金反射镜，调节所述沉积二维材料的镀金反射镜的轴向位置，实现对中红外超短脉冲激光的调谐。
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