CN109462139A - 一种2.9微米中红外锁模激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种2.9微米中红外锁模激光器，属于全固态中红外激光器领域，包括包括1150nm光纤拉曼激光器、准直聚焦系统、激光输入镜、激光晶体、激光反射镜组件、激光输出镜和锁模元件；1150nm光纤拉曼激光器输出的泵浦光依次经过准直聚焦系统、激光输入镜之后入射到激光晶体上，激光输入镜、激光晶体、激光反射镜组件、激光输出镜和锁模元件构成激光谐振腔，产生的锁模激光由激光输出镜耦合输出；所述激光晶体为钬镨双掺，所述锁模元件为石墨烯或黑磷饱和吸收体。采用1150nm激光泵浦钬镨双掺杂的激光晶体，利用新型二维材料石墨烯或黑磷作为饱和吸收体成功实现了高效率高光束质量2.9μm波段锁模中红外激光输出。

Description

一种2.9微米中红外锁模激光器
技术领域
本发明涉及一种2.9微米(μm)中红外锁模激光器，属于全固态中红外激光器技术领域。
背景技术
皮秒(ps)或飞秒(fs)量级超短脉冲激光具有极窄的脉冲宽度、极宽的光谱范围、超高峰值功率以及极高重复频率等特点，在科学研究、超快光谱学、医学、计量学、量子相干控制、微加工等领域得到了广泛应用。超段脉冲激光的研究对科学和社会发展具有重要价值和深远意义，对新型超短脉冲光源的探索已成为当今科学技术中一个重要研究领域。全固态激光锁模技术是获得皮秒和飞秒激光脉冲的主要的技术手段。得益于掺钛蓝宝石激光晶体材料和锁模技术的发展，近红外波段的锁模超快激光技术已经非常成熟，掺钛蓝宝石超快激光也是当今科学和工业领域应用最为广泛的、不可替代的理想相干光源。然而，随着物理学的不断发展，人们发现很多超快激光与物质相互作用过程与激光波长密切相关，因此不断拓宽超短脉冲激光波长覆盖范围成为了当今一个新的挑战。
随着晶体生长技术和激光技术的不断发展，全固态锁模激光器的波长已经覆盖到了2.6微米波段，比如中国专利CN102570270A，公开了一种中红外飞秒锁模激光器，在掺铥(Tm)离子、钬(Ho)离子激光晶体中实现了2.0微米波段锁模皮秒和飞秒中红外激光输出；另据文献报到，采用Cr2+：ZnSe晶体为激光晶体已经实现了中心波长在2.4/2.6微米的锁模皮秒和飞秒中红外激光输出。铒(Er)离子掺杂激光晶体可以实现2.7-2.9微米波段的激光输出，但是Er3+荧光一般为线状谱，对于特定的基质，只能获得1～2个固定波长的激光，并且需要高掺杂，不利于高功率锁模激光输出。而Ho3+离子掺杂激光晶体的5I6→5I7能级跃迁荧光为宽带谱，可以获得2.8-3.02μm可调谐输出，有利于宽带调谐和锁模超短脉冲的产生。但是由于该能级跃迁必须采用1150nm激光进行泵浦，但是目前该波段半导体激光器还不成熟，还未实现商业化。并且激光上能级5I6的荧光寿命(～3ms)远小于激光下能级5I7的荧光寿命(～16ms)，在受激发射过程中，跃迁下来的粒子积累在5I7能级上，不利于激光发射过程中保持足够的粒子数反转。并且，目前用于该波段锁模的半导体可饱和吸收镜(SESAM)还存在不少问题，比如调制带宽窄，调制深度较大等，也大大增大了在2.9微米波段实现稳定锁模的难度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种2.9微米中红外锁模激光器，采用1150nm光纤拉曼激光器作为泵浦源，采用钬、镨双掺杂作为激光晶体，将石墨烯或黑磷饱和吸收体作为锁模元件，通过优化谐振腔结构，实现高功率、高效率、高光束质量皮秒或飞秒激光输出。
本发明采用以下技术方案：
一种2.9微米中红外锁模激光器，包括1150nm光纤拉曼激光器、准直聚焦系统、激光输入镜、激光晶体、激光反射镜组件、激光输出镜和锁模元件，其中1150nm光纤拉曼激光器可以为线偏振的，也可以为非偏振的；
1150nm光纤拉曼激光器输出的泵浦光依次经过准直聚焦系统、激光输入镜之后入射到激光晶体上，激光输入镜、激光晶体、激光反射镜组件、激光输出镜和锁模元件构成激光谐振腔，产生的锁模激光由激光输出镜耦合输出；
所述激光晶体为钬镨双掺的激光晶体，所述锁模元件为石墨烯或黑磷饱和吸收体。
优选的，钬、镨掺杂的比例为1:1～5:1。
优选的，所述激光反射镜组件包括激光反射镜A和激光反射镜B，激光反射镜的个数并不限于两个，可根据具体的激光谐振腔的形式灵活选择。
优选的，还包括色散补偿元件，所述色散补偿元件置于激光谐振腔中。当激光谐振腔中不添加色散补偿元件时，锁模激光可输出皮秒激光脉冲，当加入色散补偿元件时，可以输出飞秒激光脉冲。
优选的，所述色散补偿元件为棱镜或啁啾镜(GTI)，棱镜和啁啾镜均可以为一只或一对，可根据激光谐振腔中色散量确定。
优选的，所述棱镜材料为氟化钙晶体、中红外石英或ZnSe晶体，优选的，激光晶体可以为钬、镨双掺杂的氟化镥锂(Ho,Pr:LLF)。
优选的，本发明还包括隔离器，所述隔离器的波长为1150nm(如型号4AFI-1150C等)，防止反射回的光损坏泵浦源及其他光学元件。
进一步优选的，所述激光晶体的基质材料为氟化物晶体、倍半氧化物晶体或激光陶瓷，如Ho.Pr:CaF2、Ho,Pr:YLF等。
进一步优选的，所述石墨烯或黑磷饱和吸收体中的石墨烯或黑磷采用机械剥离、化学气相沉积(CVD)、脉冲激光沉积(PLD)、或者液相剥离法(LPE)制备，最后将其转移到激光高反镜上，所述激光高反镜为介质镜或金属镜。
本发明的有益效果为：
1)本发明通过1150nm光纤拉曼激光器、钬镨双掺激光晶体、石墨烯或黑磷饱和吸收体等共同作用，成功实现了2.9微米中红外波段全固态锁模激光脉冲输出。
2)本发明利用石墨烯或黑磷作为饱和吸收体实现了2.9微米锁模激光输出，与现有的半导体可饱和吸收镜(SESAM)相比，由于目前商用的SESAM的参数(比如调制深度、饱和强度)等不可调并且不利于锁模激光输出，因此只得到了调Q锁模激光脉冲输出，而本发明的石墨烯或黑磷饱和吸收体在该波段具有非常好的调制效果，并可以推广到其他新型二维材料；
3)石墨烯或黑磷可饱和吸收体制备相对简单，并且可以通过改变材料的厚度调节饱和吸收参数，并且成本低。
4)目前全固态锁模激光器最长波长到2.4/2.6微米，2.9微米波段全固态锁模激光器还未见报道，目前，只有在铒镨双掺的氟化物光纤中实现了该波段的锁模激光输出，但是输出功率只有mW量级，而本发明的输出功率可达500mW以上，光束质量较高(M2<1.5)。
附图说明
图1为本发明的实施例1的结构示意图；
图2为本发明的实施例2的结构示意图；
图3为本发明的实施例3的结构示意图；
图4为本发明的实施例1的脉冲序列图；
图5为本发明的实施例1的信噪比图；
图6为本发明的实施例1的光谱图；
其中：1、1150nm光纤拉曼激光器，2、准直聚焦系统，3、激光输入镜，4、激光晶体，5、激光反射镜A，6、激光反射镜B，7、激光输出镜，8、石墨烯或黑磷饱和吸收体，9、10为棱镜，11、12为啁啾镜。
具体实施方式：
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1：
一种2.9微米中红外锁模激光器，如图1所示，包括1150nm光纤拉曼激光器1、准直聚焦系统2、激光输入镜3、激光晶体4、激光反射镜A5、激光反射镜B6、激光输出镜7和锁模元件，1150nm光纤拉曼激光器1可以为线偏振；
1150nm光纤拉曼激光器1输出的泵浦光依次经过准直聚焦系统2、激光输入镜3之后入射到激光晶体4上，激光输入镜3、激光晶体4、激光反射镜A5、激光反射镜B6、激光输出镜7和锁模元件构成激光谐振腔，产生的锁模激光由激光输出镜7耦合输出；
所述激光晶体4为钬、镨双掺杂的氟化镥锂(Ho,Pr:LLF)，所述锁模元件为石墨烯或黑磷饱和吸收体。
1150nm泵浦光对激光晶体4进行泵浦使其产生粒子数反转并在激光谐振腔内形成激光振荡。激光谐振腔内的振荡光斑经激光输入镜3反射到激光反射镜A5上，然后再反射到激光反射镜B6上，经激光反射镜B6反射到激光输出镜7上，其中一部分激光振荡耦合输出，一部分返回腔内，然后沿原来的光路反射到激光输入镜3上，再反射到石墨烯或黑磷的饱和吸收体8上，然后再由石墨烯或黑磷的饱和吸收体8返回腔(激光谐振腔)内来回振荡，最终形成的锁模激光镜激光输出镜7耦合输出。该实施实例未进行色散补偿，产生的锁模激光一般在皮秒量级。
实施例2：
一种2.9微米中红外锁模激光器，结构如实施例1所示，所不同的是，如图2所示，还包括一对棱镜(棱镜9和棱镜10)，激光谐振腔内的振荡光束经两个棱镜9、10后进行色散补偿，该实施例2对腔内色散进行补偿，可产生飞秒量级的锁模激光输出。
实施例3：
一种2.9微米中红外锁模激光器，结构如实施例1所示，所不同的是，如图3所示，还包括啁啾镜11和12，激光谐振腔内的振荡光束经两个啁啾镜11、12后进行色散补偿，该实施例对腔内色散进行补偿，可产生飞秒量级的锁模激光输出。
本发明的图4为本发明的实施例1的脉冲序列图，时间尺度为200μs/div，从图中可以看出本发明实现了较为稳定的连续锁模；
图5为本发明的实施例1的信噪比图，从图中可以看出锁模激光的信噪比可达58dB；
图6为本发明的实施例1的光谱图，从图中可以看出锁模的中心波长为2863.7nm，线宽为0.13nm。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种2.9微米中红外锁模激光器，其特征在于，包括1150nm光纤拉曼激光器、准直聚焦系统、激光输入镜、激光晶体、激光反射镜组件、激光输出镜和锁模元件；
1150nm光纤拉曼激光器输出的泵浦光依次经过准直聚焦系统、激光输入镜之后入射到激光晶体上，激光输入镜、激光晶体、激光反射镜组件、激光输出镜和锁模元件构成激光谐振腔，产生的锁模激光由激光输出镜耦合输出；
所述激光晶体为钬镨双掺的激光晶体，所述锁模元件为石墨烯或黑磷饱和吸收体。
2.根据权利要求1所述的2.9微米中红外锁模激光器，其特征在于，所述激光反射镜组件包括激光反射镜A和激光反射镜B。
3.根据权利要求2所述的2.9微米中红外锁模激光器，其特征在于，还包括色散补偿元件，所述色散补偿元件置于激光谐振腔中。
4.根据权利要求3所述的2.9微米中红外锁模激光器，其特征在于，所述色散补偿元件为棱镜或啁啾镜。
5.根据权利要求4所述的2.9微米中红外锁模激光器，其特征在于，所述棱镜材料为氟化钙晶体、中红外石英或ZnSe晶体。
6.根据权利要求4所述的2.9微米中红外锁模激光器，其特征在于，还包括隔离器，所述隔离器的波长为1150nm。
7.根据权利要求4所述的2.9微米中红外锁模激光器，其特征在于，所述激光晶体的基质材料为氟化物晶体、倍半氧化物晶体或激光陶瓷。
8.根据权利要求4所述的2.9微米中红外锁模激光器，其特征在于，所述石墨烯或黑磷饱和吸收体中的石墨烯或黑磷采用机械剥离、化学气相沉积、脉冲激光沉积、或者液相剥离法制备，最后将其转移到激光高反镜上，所述激光高反镜为介质镜或金属镜。
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