CN107069428A - 基于WS2的被动调Qc切割Nd:YVO4自拉曼人眼安全激光器 - Google Patents

基于WS2的被动调Qc切割Nd:YVO4自拉曼人眼安全激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于WS2的被动调Q c切割Nd:YVO4自拉曼人眼安全激光器，包括泵浦系统、自聚焦透镜、谐振腔输入镜、激光晶体、被动调Q器件和谐振腔输出镜，其中，泵浦系统产生的泵浦光进入自聚焦透镜，激光晶体的入射面位于自聚焦透镜的出射侧焦点位置，而谐振腔输入镜位于激光晶体与自聚焦透镜之间，且靠近激光晶体；所述谐振腔输出镜的入射面中部位于激光晶体的光线出射路径上，被动调Q器件位于激光晶体与谐振腔输出镜之间，且靠近谐振腔输出镜放置；所述激光晶体采用c切割Nd:YVO4晶体。此种激光器的输出激光处在人眼安全波段，结构简单紧凑，成本低。

Description

基于WS2的被动调Qc切割Nd:YVO4自拉曼人眼安全激光器
技术领域
本发明属于固态激光器领域，尤其涉及一种基于WS2的被动调Q c切割掺钕钒酸钇（Nd:YVO4）自拉曼人眼安全激光器。
背景技术
调Q分为被动和主动两种，被动调Q是利用某些材料的饱和吸收特性来实现调Q的，不需要额外控制电路，结构简单紧凑。掺过渡金属离子的晶体（如Cr:YAG、V:YAG）、半导体饱和吸收镜（SESAM）和碳纳米管具有非常好的饱和吸收特性，但是Cr:YAG仅仅在0.9～1.2μm波段有效；SESAM制造封装工艺复杂，且工作波长范围较窄。与传统材料相比，石墨烯具有制作容易、响应速度快（100fs）、工作波段宽（可见光到中红外）的优点，已广泛应用于全固态激光领域。在石墨烯热潮的推动下，二维过渡金属硫化物（如MoS2、WS2）等受到了高度重视，许多独特的光电性质在材料由体材料降解到二维单分子层后表现了出来。如，二维层状过渡金属硫化物在红外波段具有优异的可饱和吸收特性，在脉冲激光器（被动调Q、锁模）、光开关、激光防护光限幅器、光子学器件等方面具有巨大的应用潜力。
2014年C. Janisch在文献“Ultrashort optical pulse characterizationusing WS2 monolayers”（Optics Letter, 39, 383-385, 2014）首次指出单层WS2具有非常高的二阶非线性极化率，良好的非线性吸收特性，其调制深度可达到1.2%。2015年“All-fiber Er-doped Q-switched laser based on Tungsten Disulfide saturableabsorber”（Opt. Mater. Express, 5, 373-379, 2015）首次报道了WS2被动调Q 1.5μm掺Er光纤激光器；同年“Microfiber-based WS2-film saturable absorber for ultra-fastphotonics”（Optical Materials Express, 5, 479-489, 2015）与“WS2 as a saturableabsorber for ultrafast photonic applications of mode-locked and Q-switchedlasers”（Optical Express, 23, 11453-11461, 2015）分别报道了基于WS2可饱和吸收体的锁模掺Er光纤激光器。目前，WS2被动调Q技术主要应用于光纤激光器领域，而WS2被动调Q的全固态拉曼激光器还未见报道。
波长1.5μm的激光对人眼损伤较小，具有人眼安全的特性。采用受激拉曼散射的方法获得的全固态拉曼激光器性能稳定可靠、效率高、结构简单紧凑。在诸多人眼拉曼激光器中，有一类自拉曼激光器尤其引人关注，即激光晶体和受激拉曼散射介质采用同一块晶体来实现。如Nd:YVO4晶体，Nd3+来实现粒子数反转，实现激光增益，获得1342nm的基频光；YVO4又可以实现受激拉曼散射（拉曼散射量890cm-1），获得1525nm人眼安全激光。如2012年文献“Highly efficient double-ended diffusion-bonded Nd:YVO4 1525-nm eye-safeRaman laser under direct 880-nm pumping”（Applied Physics B,106,653–656,2011）报道了1525nm人眼安全波段自拉曼Nd:YVO4激光器，输出功率达到了1W。该文献采用声光调Q方式来获得高峰值功率1342nm脉冲激光，通过受激拉曼散射，获得人眼安全激光。声光调Q开关需要声光转换装置，结构复杂、价格昂贵。2015年文献“Efficient Eye-Safe Nd:YVO4Self-Raman Laser In-Band Pumped at 914 nm”（IEEE Photonics Journal, 7,1503807, 2015）也采用声光调Q技术，获得了2.58W人眼安全波段1525nm脉冲激光。目前，人眼安全自拉曼激光器大部分采用声光调Q的方法，还没有关于二维过渡金属硫化物被动调Q人眼安全自拉曼激光器的报道。
以下先对本案涉及的几个名词进行解释：
人眼安全激光：波长1.4～1.9μm的激光具有很高的水吸收系数，当该波段激光辐射人眼时，大部分的能量会被水分子吸收，对人眼的损伤较小，具有人眼安全特性。
WS2：二硫化钨。Nd:YVO4：掺钕离子的矾酸钇晶体。GRIN：梯度折射率。
自拉曼激光器：激光晶体和受激拉曼散射介质采用同一块晶体来实现。如Nd:YVO4晶体，Nd3+来实现粒子数反转，实现激光增益；YVO4衬底材料实现受激拉曼散射。采用此类晶体的激光器，称之为自拉曼激光器。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种基于WS2的被动调Q c切割Nd:YVO4自拉曼人眼安全激光器，其输出激光处在人眼安全波段，结构简单紧凑，成本低。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种基于WS2的被动调Q c切割Nd:YVO4自拉曼人眼安全激光器，包括泵浦系统、自聚焦透镜、谐振腔输入镜、激光晶体、被动调Q器件和谐振腔输出镜，其中，泵浦系统产生的泵浦光进入自聚焦透镜，激光晶体的入射面位于自聚焦透镜的出射侧焦点位置，而谐振腔输入镜位于激光晶体与自聚焦透镜之间，且靠近激光晶体；所述谐振腔输出镜的入射面中部位于激光晶体的光线出射路径上，被动调Q器件位于激光晶体与谐振腔输出镜之间，且靠近谐振腔输出镜放置；所述激光晶体采用c切割Nd:YVO4晶体。
上述泵浦系统的泵浦光输出位置位于自聚焦透镜入射侧的焦点位置。
上述泵浦系统采用c封装单管半导体激光器，输出波长808nm，输出功率8W。
上述谐振腔输入镜采用平凹透镜，其平面与自聚焦透镜的出射侧相对，平面作为入射面，平凹透镜的凹面作为出射面。
上述谐振腔输入镜的平面镀有泵浦光808nm、1064nm增透膜，凹面镀有808nm、1064nm增透膜、1342nm与1525nm高反膜。
上述激光晶体的两面均镀有泵浦光808nm、1064nm、1342nm、1525nm增透膜。
上述激光晶体由铟箔包裹。
上述被动调Q器件包括石英薄片及其上附着的可饱和吸收体。
上述可饱和吸收体由6～8层二维纳米材料WS2构成。
采用上述方案后，本发明具有以下改进：
（1）本发明采用二维纳米材料WS2来制备饱和吸收体，采用被动调Q技术取代目前主流的主动调Q技术，用二维WS2被动调Q器件来代替目前主流的声光调Q器件，结构更加简单紧凑，价格更低；
（2）泵浦源采用c封装单管半导体激光器，耦合镜采用自聚焦透镜（GRIN），降低了耦合系统的复杂性，价格经济实惠；
（3）激光晶体采用c切割Nd:YVO4晶体，Nd3+离子的掺杂浓度0.5-at.％，长度20mm；
（4）谐振腔输入镜右表面1342nm、1525nm高反；谐振腔输出镜左表面1525nm的反射率为90%、1342nm高反，谐振腔的长度为60 mm，此谐振腔输入镜和谐振腔输出镜不可替代。
附图说明
图1是本发明的整体架构图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种基于WS2的被动调Q c切割Nd:YVO4自拉曼人眼安全激光器，包括泵浦系统1、自聚焦透镜（GRIN）2、谐振腔输入镜3、c切割Nd:YVO4（掺钕钒酸钇）激光晶体4、二维WS2被动调Q器件5和谐振腔输出镜6，下面分别介绍。
所述泵浦系统1用于产生泵浦光，该泵浦光进入自聚焦透镜2，为了达到所需的效果，泵浦系统1的泵浦光输出位置需位于自聚焦透镜3入射侧的焦点位置；在本实施例中，泵浦系统1采用c封装单管半导体激光器，输出波长808nm，输出功率8W。
所述自聚焦透镜2的两侧外表面均镀有泵浦光808nm增透膜，自聚焦透镜2的尺寸为Ф3×10mm3，焦距20mm。
所述谐振腔输入镜3采用平凹透镜，其平面与自聚焦透镜2的出射侧相对，平面作为入射面，且平面镀有泵浦光808nm、1064nm增透膜；平凹透镜的凹面作为出射面，曲率半径为100mm，凹面镀有808nm、1064nm增透膜、1342nm与1525nm高反膜。
所述c切割Nd:YVO4激光晶体4的两面均镀有泵浦光808nm、1064nm、1342nm、1525nm增透膜，Nd3+离子的掺杂浓度0.5-at.％，长度20mm，激光晶体4由铟箔包裹，采用半导体制冷器进行降温并控制温度在20℃。c切割Nd:YVO4激光晶体4的入射面位于自聚焦透镜2出射侧的焦点位置，而谐振腔输入镜3的中心靠近c切割Nd:YVO4激光晶体4放置。
所述二维WS2被动调Q器件5是由6～8层二维纳米材料WS2构成的可饱和吸收体，且6～8层二维纳米材料WS2附着于1mm石英薄片上。
所述谐振腔输出镜6的入射面镀有基频光1342nm高反膜，1525nm的反射率约为90%，出射面镀有1525nm增透膜，且所述谐振腔输出镜6的入射面中部位于c切割Nd:YVO4激光晶体4的光线出射路径上，被动调Q器件5靠近谐振腔输出镜6放置。
本发明的工作原理是：
半导体激光器发出的808nm泵浦光，通过自聚焦透镜（GRIN）聚焦进入Nd:YVO4晶体；在泵浦光的激励下，激光晶体Nd:YVO4实现粒子数反转，在激光谐振腔和二维WS2被动调Q器件的共同作用下，产生窄脉宽、高峰值功率的1342nm脉冲基频光。由于谐振腔输入镜镀有1064nm高透膜，因此可以有效抑制1064nm激光的谐振。
c切割的Nd:YVO4晶体还同时作为拉曼晶体（拉曼散射量890cm-1），在谐振腔作用下，通过受激拉曼散射获得1525nm人眼安全激光输出。
综合上述，本发明一种基于WS2的被动调Q c切割Nd:YVO4自拉曼人眼安全激光器，采用二维纳米材料WS2实现被动调Q脉冲1342nm基频光输出，并通过受激拉曼散射的方式获得人眼安全波段1525nm的全固态激光器，此激光器可用于激光测距和光纤通信等。
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 (9)

1.一种基于WS2的被动调Q c切割Nd:YVO4自拉曼人眼安全激光器，其特征在于：包括泵浦系统、自聚焦透镜、谐振腔输入镜、激光晶体、被动调Q器件和谐振腔输出镜，其中，泵浦系统产生的泵浦光进入自聚焦透镜，激光晶体的入射面位于自聚焦透镜的出射侧焦点位置，而谐振腔输入镜位于激光晶体与自聚焦透镜之间，且靠近激光晶体；所述谐振腔输出镜的入射面中部位于激光晶体的光线出射路径上，被动调Q器件位于激光晶体与谐振腔输出镜之间，且靠近谐振腔输出镜放置；所述激光晶体采用c切割Nd:YVO4晶体。
2.如权利要求1所述的基于WS2的被动调Q c切割Nd:YVO4自拉曼人眼安全激光器，其特征在于：所述泵浦系统的泵浦光输出位置位于自聚焦透镜入射侧的焦点位置。
3.如权利要求1所述的基于WS2的被动调Q c切割Nd:YVO4自拉曼人眼安全激光器，其特征在于：所述泵浦系统采用c封装单管半导体激光器，输出波长808nm，输出功率8W。
4.如权利要求1所述的基于WS2的被动调Q c切割Nd:YVO4自拉曼人眼安全激光器，其特征在于：所述谐振腔输入镜采用平凹透镜，其平面与自聚焦透镜的出射侧相对，平面作为入射面，平凹透镜的凹面作为出射面。
5.如权利要求4所述的基于WS2的被动调Q c切割Nd:YVO4自拉曼人眼安全激光器，其特征在于：所述谐振腔输入镜的平面镀有泵浦光808nm、1064nm增透膜，凹面镀有808nm、1064nm增透膜、1342nm与1525nm高反膜。
6.如权利要求1所述的基于WS2的被动调Q c切割Nd:YVO4自拉曼人眼安全激光器，其特征在于：所述激光晶体的两面均镀有泵浦光808nm、1064nm、1342nm、1525nm增透膜。
7.如权利要求1所述的基于WS2的被动调Q c切割Nd:YVO4自拉曼人眼安全激光器，其特征在于：所述激光晶体由铟箔包裹。
8.如权利要求1所述的基于WS2的被动调Q c切割Nd:YVO4自拉曼人眼安全激光器，其特征在于：所述被动调Q器件包括石英薄片及其上附着的可饱和吸收体。
9.如权利要求8所述的基于WS2的被动调Q c切割Nd:YVO4自拉曼人眼安全激光器，其特征在于：所述可饱和吸收体由6～8层二维纳米材料WS2构成。
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