CN111208590A - 一种基于光学玻璃的非线性光学反射镜及其制备方法和应用 - Google Patents

一种基于光学玻璃的非线性光学反射镜及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于光学玻璃的非线性光学反射镜及其制备方法和应用，主要包括在光学玻璃中形成金属纳米颗粒阵列，并在注入面镀反射膜，实现激光脉冲的调制。采用能量为50～300千电子伏特，剂量为5‑20×1016ions/cm2的银离子，通过离子注入技术在光学玻璃中形成纳米颗粒阵列；在注入面镀高反膜，使其透过基底测量具有高反射率，即得非线性光学反射镜。将反射镜应用于激光谐振腔中，成功实现对激光得脉冲调制，产生近红外波段锁模激光的输出。本发明利用银离子注入并镀相应反射膜的光学玻璃作为非线性光学反射镜，应用于任意反射式激光谐振腔，具有激光系统的普适性。

Description

一种基于光学玻璃的非线性光学反射镜及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及基于光学玻璃的非线性光学反射镜、制备方法及应用于激光脉冲调制，属于光电子器件制备的技术领域。
背景技术
光学玻璃，如K9玻璃、BK7玻璃、石英玻璃等，是一种常见的通过折射反射透过方式传递光线的无机玻璃态材料。由于其高度光学均匀性、成本低和易加工的特点，常被用于制造光学仪器中的透镜、棱镜、反射镜等元器件。通常情况下，光学玻璃非线性吸收系数极小，非线性折射率几乎可以忽略，这既赋予了其独特的光学稳定性，又限制了其光学功能性，常常需要配合其他功能性材料或器件，来实现特定的效果，满足光电子器件的需求。
目前，激光脉冲调制，如调Q技术、锁模技术等，是制备高质量光电子器件的关键技术之一。现有的报道大都使用半导体可饱和吸收镜(SESAM)或者二维材料作为可饱和吸收体，插入谐振腔内或者附着于基于光学玻璃的腔镜上，不仅结构复杂，不利于集成化器件的发展，而且损耗也较高，稳定性低，激光性能也有待提高。
贵金属纳米颗粒，作为新兴的零维材料，在改性介电材料光学性质方面吸引了广泛的兴趣。其表面等离子共振响应可以有效调制介电材料的非线性光学特性。通过选择高折射率的介电材料，可以成功调制表面等离子共振响应波段，实现在不同波段的非线性光学调制。此外，本发明的发明人前期专利文件CN108346970A公开了基于铌酸锂晶片的可饱和吸收镜、制备方法及应用于1微米脉冲激光器，主要包括在LiNbO3晶体中形成金属纳米粒子和实现1微米激光的产生。其仍然需要将额外的可饱和吸收镜，插入由第一光学透镜和半反射镜组成的谐振腔中。
到目前为止，由于光学玻璃具有较低的折射率，通过贵金属纳米粒子对光学玻璃的非线性特性进行有效的调控，还未成功在近红外波段实现。结合对其线性光学特性的表面改性的镀膜技术，并作为反射镜应用于波段脉冲激光制备，也还没有相关的报道。为此，提出本发明。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供基于光学玻璃的非线性光学反射镜、制备方法及应用于激光脉冲调制。
本发明的技术方案如下：
基于光学玻璃的非线性光学反射镜，包括光学玻璃基底，所述的光学玻璃表面注入银离子形成银纳米颗粒阵列，并在注入面镀有高反膜。
根据本发明，优选的，所述的银纳米颗粒阵列为周期性银纳米阵列。
根据本发明，优选的，所述的银纳米颗粒阵列的分布深度范围为1-200nm，半径尺寸大小范围为5-30nm，颗粒间距小于5nm。
根据本发明，优选的，所述的高反膜在基底一侧测量得到的反射率≥95％。
根据本发明，优选的，所述的光学玻璃为BK7或K9玻璃。
根据本发明，优选的，所述的高反膜结构为MP(LH)NLS结构，其中M为金属薄膜Cu，P为顶层介电材料层TiO2，(LH)NLS为截断全介质光子学晶体,L为SiO2,H为TiO2，N为周期性12，S为光学玻璃。
根据本发明，上述基于光学玻璃的非线性光学反射镜的制备方法，包括步骤如下：
(1)以光学玻璃为基底，进行表面抛光、清洗，得到抛光面；
(2)对抛光面注入银离子；注入能量为50-300千电子伏特(keV)，注入剂量为(5-20)×1016ions/cm2；在注入面下形成银纳米颗粒阵列；
(3)在注入面镀高反膜，透过基底测得的反射率为95-100％，即得。
根据本发明非线性光学反射镜的制备方法，优选的，步骤(2)中注入能量为150-200千电子伏特(keV)，注入剂量为(10-15)×1016ions/cm2。
根据本发明非线性光学反射镜的制备方法，优选的，步骤(3)中反射率为98-99％。
根据本发明，上述基于光学玻璃的非线性光学反射镜应用于谐振腔调制激光脉冲信号。
根据本发明，一种基于光学玻璃的非线性光学反射镜的1微米脉冲激光器，包括沿光路顺次连接的LD泵浦源、耦合系统、谐振腔，所述的谐振腔包括沿光路顺次连接的入射腔镜、增益介质、第一反射镜、输出耦合器、色散补偿镜、第二反射镜、非线性光学反射镜。
根据本发明的1微米脉冲激光器，优选的，所述的增益介质为激光晶体，进一步优选掺镱钨酸钇钾晶体Yb:KYW；
优选的，所述的入射腔镜为泵浦波段高透、发射波段高反的入射腔镜；所述的出射耦合器透过率为0-5％。
本发明的1微米脉冲激光器利用耦合系统使LD泵浦光穿过入射腔镜汇聚至增益介质，经第一反射镜、第二反射镜反射调节谐振腔长度，色散补偿镜补偿色散，通过非线性光学反射镜调制脉冲信号，最后在输出耦合器发射激光。
本发明未详尽说明的，均按本领域现有技术。
本发明的有益效果：
1、本发明利用银离子注入并镀膜的光学玻璃作为非线性光学反射镜，应用于激光器谐振腔中调制脉冲信号，无需再添加其他可饱和吸收镜。不仅结构简单，有利于集成化器件的发展，而且可以降低损耗，提高稳定性和激光性能。
2、本发明的非线性光学反射镜可适用于多种谐振腔系统，即插即用，不受泵浦源、增益介质等条件限制，具有极大兼容性。
3、本发明在非线性光学反射镜的制备过程中，选用银离子作为注入离子，选择最佳的离子能量和剂量，并在注入面镀膜，得到的非线性光学反射镜效果最佳，可根据需求替换光学玻璃基底以及高反膜的结构和材料。
附图说明
图1为本发明的非线性光学反射镜的制备及应用于谐振腔的工艺流程图；
图2为银离子注入并镀膜的光学玻璃的制作工艺示意图；
图3为非线性光学反射镜应用于谐振腔调制激光脉冲信号的主体结构示意图；
图中：1.银离子注入，2.银纳米颗粒，3.光学玻璃，4.电子束蒸发，5.高反膜，6.LD泵浦源，7.耦合系统，8.入射腔镜，9.增益介质，10.第一反射镜，11.输出耦合器，12.色散补偿镜，13.第二反射镜，14.非线性光学反射镜。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明，但不限于此。
实施例1
如图1、2所示，基于光学玻璃的非线性光学反射镜的制备方法，包括步骤如下：
(1)以BK7玻璃为基底，对表面进行光学级抛光，并用纯度为99.7％的酒精以及丙酮对抛光后的样品进行超声清洗，去除抛光表面杂质，得到抛光面；
(2)利用串列离子加速器，向BK7玻璃的一个抛光面注入银离子；注入能量为200千电子伏特(keV)，注入剂量为1×1017ions/cm2；在注入面以下200nm范围内，形成周期性纳米颗粒阵列；
(3)利用电子束蒸发在注入面制备的高反膜，高反膜结构为MP(LH)NLS结构，其中M为金属薄膜Cu，P为顶层介电材料层TiO2，(LH)NLS为截断全介质光子学晶体,L为SiO2,H为TiO2，N为周期性12，S为光学玻璃，即得反射率为99％的高反膜。
实施例2
如实施例1所述，不同的是：
步骤(2)中注入能量为50千电子伏特(keV)，注入剂量为2×1017ions/cm2；使得银离子密度更高，纳米颗粒阵列更紧密，非线性更强。
实施例3
如实施例1所述，不同的是：
步骤(3)中采用溅射镀膜方法，用高能粒子轰击固体表面，使固体表面的粒子获得能量并逸出表面，沉积在光学玻璃上，形成反射率为98％的高反膜。
实施例4
使用实施例1制得的基于光学玻璃的非线性光学反射镜应用于激光谐振腔中，如图3所示，包括沿光路顺次连接的LD泵浦源6、耦合系统7、谐振腔，所述的谐振腔包括沿光路顺次连接的入射腔镜8、增益介质9、第一反射镜10、输出耦合器14、色散补偿镜11、第二反射镜13、非线性光学反射镜12。
所述的增益介质9为掺镱钨酸钇钾晶体Yb:KYW；所述的入射腔镜8为950-1000nm高透、1000-1100nm高反的入射腔镜；所述的出射耦合器11透过率为1％。
本实施例选用976nm高功率激光器组成激光系统，使用耦合系统将976nm激光耦合至增益介质9，通过第一反射镜10和第二反射镜13调节谐振腔腔长，并通过色散补偿器补偿色散12，经非线性光学反射镜14调制，由输出耦合器11末端得到激光脉冲信号。
实施例5
如实施例4所述，不同的是：
所述的增益介质9为掺钕掺钕钇铝石榴石晶体Nd:YAG；所述的入射腔镜8为800-820nm高透、1000-1100nm高反的入射腔镜；泵浦源为810nm钛宝石激光器。
对比例1
如实施例1所述，不同的是采用银离子进行注入，剂量为1×1016ions/cm2或3×1017ions/cm2，并参照实施例4分别应用于激光谐振腔中。
对比例2
如实施例1所述，不同的是采用金离子进行注入，并参照实施例4应用于激光谐振腔中。
对比例3
如实施例1所述，不同的是在注入面反面镀膜，并参照实施例4应用于激光谐振腔中。
试验例
测试实施例1和对比例1-3应用在激光谐振腔内的脉冲调制能力，测量重复频率、脉宽、输出功率等性能，
对比例1中在低剂量下纳米颗粒太小，未能形成有效的非线性特性，在高剂量纳米颗粒转变成薄膜状呈现，局域表面等离子共振特性消失。对比例2中，金离子注入的样品未能形成纳米颗粒阵列，因此未能检测到非线性特性。应用于谐振腔中，不能产生脉冲激光，因此不具有脉冲调制的可能性。对比例3中，非线性光学反射镜的脉冲调制能力较低，未能检测到高效的激光脉冲信号。
实施例1中，经离子注入后的BK7玻璃在近红外波段可以测到明显的饱和吸收性，镀反射膜后应用于激光谐振腔内可以通过产生脉冲激光，重复频率最大为400kHz,脉宽最低为200fs，最大输出功率0.5W。实施例2、3及5均可获得有效的激光脉冲信号，激光性能与实施例1相似。因此，本发明对注入离子种类进行选择，对注入工艺进行优化，设计反射膜、注入层和基底材料的结构，最终将光学玻璃成功制备成可用于脉冲调制的非线性光学反射镜。无需再添加其他可饱和吸收镜，不仅结构简单，有利于集成化器件的发展，而且可以降低损耗，提高稳定性和激光性能。

Claims (10)

1.基于光学玻璃的非线性光学反射镜，其特征在于，该非线性光学反射镜包括光学玻璃基底，所述的光学玻璃表面注入银离子形成银纳米颗粒阵列，并在注入面镀有高反膜。
2.根据权利要求1所述的基于光学玻璃的非线性光学反射镜，其特征在于，所述的银纳米颗粒阵列为周期性银纳米阵列。
3.根据权利要求1所述的基于光学玻璃的非线性光学反射镜，其特征在于，所述的银纳米颗粒阵列的分布深度范围为1-200nm，半径尺寸大小范围为5-30nm，颗粒间距小于5nm。
4.根据权利要求1所述的基于光学玻璃的非线性光学反射镜，其特征在于，所述的高反膜在基底一侧测量得到的反射率≥95％。
5.根据权利要求1所述的基于光学玻璃的非线性光学反射镜，其特征在于，所述的光学玻璃为BK7或K9玻璃。
6.根据权利要求1所述的基于光学玻璃的非线性光学反射镜，其特征在于，所述的高反膜结构为MP(LH)NLS结构，其中M为金属薄膜Cu，P为顶层介电材料层TiO2，(LH)NLS为截断全介质光子学晶体,L为SiO2,H为TiO2，N为周期性12，S为光学玻璃。
7.权利要求1-6任一项所述的基于光学玻璃的非线性光学反射镜的制备方法，包括步骤如下：
(1)以光学玻璃为基底，进行表面抛光、清洗，得到抛光面；
(2)对抛光面注入银离子；注入能量为50-300千电子伏特(keV)，注入剂量为(5-20)×1016ions/cm2；在注入面下形成银纳米颗粒阵列；
(3)在注入面镀高反膜，透过基底测得的反射率为95-100％，即得。
8.根据权利要求7所述的基于光学玻璃的非线性光学反射镜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中注入能量为150-200千电子伏特(keV)，注入剂量为(10-15)×1016ions/cm2。
9.权利要求1-6任一项所述的基于光学玻璃的非线性光学反射镜应用于谐振腔调制激光脉冲信号。
10.一种基于光学玻璃的非线性光学反射镜的1微米脉冲激光器，包括使用权利要求1-6任一项所述的基于光学玻璃的非线性光学反射镜，包括沿光路顺次连接的LD泵浦源、耦合系统、谐振腔，所述的谐振腔包括沿光路顺次连接的入射腔镜、增益介质、第一反射镜、输出耦合器、色散补偿镜、第二反射镜、非线性光学反射镜。
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