CN114883905A - 基于石墨烯吸收体的被动调Q Nd:KLu(WO4)2人眼安全激光器 - Google Patents

基于石墨烯吸收体的被动调Q Nd:KLu(WO4)2人眼安全激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯吸收体的被动调Q Nd:KLu(WO4)2人眼安全激光器，包括：激光二极管泵浦源、光学聚焦耦合系统、谐振腔的输入腔镜、激光增益介质、可饱和吸收体和谐振腔的输出腔镜。所述激光增益介质为Nd:KLu(WO4)2晶体，所述可饱和吸收体为石墨烯。激光二极管泵浦源的泵浦激光经光学聚焦耦合系统准直聚焦后，通过谐振腔的输入腔镜入射到激光增益介质中，激光增益介质产生1.1μm、1.3μm和1.4μm波段的受激辐射；由于腔体对1.1μm和1.3μm波段激光有抑制作用，腔内形成1425nm的激光振荡，再利用石墨烯的饱和吸收特性调节腔内增益损耗产生调Q脉冲。本发明人眼安全波段固体激光器结构简单、紧凑，利用Nd:KLu(WO4)2晶体和石墨烯实现了稳定的调Q脉冲输出，所输出的1425nm激光可广泛应用于眼科医疗、大气测试科学和工业等领域。

Description

基于石墨烯吸收体的被动调Q Nd:KLu(WO4)2人眼安全激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体为一种基于石墨烯吸收体的被动调Q Nd:KLu(WO4)2人眼安全激光器。
背景技术
Nd:KLu(WO4)2作为一种新型激光增益介质于2005年首次报道，由于其具有较高的掺Nd浓度和比其它最常用的掺Nd晶体(例如Nd:YAG、Nd:GdVO4和Nd:GGG)的更宽的吸收带宽等显着优势，已被证明是一种很有前途的材料，在固态激光器中具有重要的应用。到目前为止，已经报道了Nd:KLu(WO4)2的连续波和调Q激光操作，并且已经应用于拉曼激光操作。然而，这些研究主要集中在1070nm和1355nm波长，关于Nd:KLu(WO4)2在其它波长的应用罕有报道。除了1.1μm和1.3μm区域的激光之外，1.4μm激光是另一种很少被报道的重要激光，在眼科医疗、大气测试科学、工业等领域都有一些特殊的应用。
最近，用作超快激光可饱和吸收体的石墨烯引起了越来越多的关注。与其他常用的可饱和吸收体如V3+:YAG、Co:LMA和Cr4+:YAG相比，石墨烯具有高损伤阈值、低成本和超快载流子动力学等显着优势。特别是，石墨烯由于其零带隙结构，可用作可见光至太赫兹波长区域激光器的可饱和吸收体。到目前为止，通过采用石墨烯作为可饱和吸收体，被动调Q和锁模固态激光器已被实现，然而，还没有石墨烯在1.4μm波段人眼安全激光器中作为可饱和吸收体的应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于石墨烯吸收体的被动调Q Nd:KLu(WO4)2人眼安全激光器，解决了背景技术中提到的问题。
基于石墨烯吸收体的被动调Q Nd:KLu(WO4)2人眼安全激光器，方案如下：
所述激光器包括激光二极管泵浦源、光学聚焦耦合系统、谐振腔的输入腔镜、激光增益介质、可饱和吸收体和谐振腔的输出腔镜。
所述激光二极管泵浦源的808nm泵浦激光经光学聚焦系统准直聚焦后，通过谐振腔的输入腔镜入射到激光增益介质中，激光增益介质中的激活离子Nd3+发生粒子数反转产生1.1μm、1.3μm和1.4μm波段的受激辐射。由于谐振腔的输入腔镜和输出腔镜都镀有1.1μm和1.3μm的增透膜，谐振腔可以很好地抑制1.1μm和1.3μm的受激辐射，使腔内形成以1425nm为主的激光振荡，再利用可饱和吸收体的饱和吸收特性调节谐振腔的损耗以产生调Q脉冲。所产生的调Q脉冲由谐振腔的输出腔镜进行输出。
其中，优选的是，所述激光二极管泵浦源的中心波长为808nm，其耦合光纤的芯径为400μm，数值孔径为0.22。
优选的是，所述光学聚焦系统包括准直透镜组和聚焦透镜组，其将泵浦激光准直聚焦到激光增益介质的端面上，在激光增益介质端面上形成的光腰直径约为200μm。
优选的是，所述谐振腔的输入腔镜为一平凹面镜，平面镀有808nm抗反射膜，凹面镀有808nm的增透膜和1425nm的增反膜；所述谐振腔的输出腔镜为一平面镜，镀有1425nm的部分反射膜(透过率为1.3％)；所述谐振腔的输入腔镜和输出腔镜都镀有1.1μm和1.3μm波段的增透膜(透过率大于95％)。
优选的是，由所述谐振腔的输入腔镜和输出腔镜所组成的谐振腔的长度为25mm。
所述激光增益介质为Nd:KLu(WO4)2晶体，掺Nd浓度为0.5at.％，晶体尺寸为4×4×10mm3，在激光光路经过的两个端面都镀有1425nm和808nm的减反膜(反射率小于0.2％)。
优选的是，所述可饱和吸收体为生长在碳化硅晶片上的5至7层厚的石墨烯，碳化硅晶片的厚度约为1mm。
本发明与现有技术相比具备以下有益效果：
本发明激光器使用Nd:KLu(WO4)2晶体作为激光增益介质，石墨烯作为可饱和吸收体实现了1425nm的调Q激光输出，并且输出脉冲强度和输出功率具有长期稳定性。所述激光器组成简单，结构紧凑，可以灵活运用于相关领域。该激光器输出的1425nm波长的激光位于人眼安全区域，可以用于眼科医疗，并且在大气测试科学和工业等领域也有特殊应用。
附图说明
图1为本发明基于石墨烯吸收体的被动调Q Nd:KLu(WO4)2人眼安全激光器的结构图；
图2为本发明激光器的调Q脉冲输出光谱图；
图3为本发明激光器调Q脉冲的脉冲轨迹；
图4为本发明激光器调Q脉冲的单脉冲轨迹图；
图5为本发明激光器调Q脉冲的脉冲重复率和脉冲宽度与泵浦功率的关系图。
图中：1、激光二极管泵浦源；2、光学聚焦耦合系统；3、谐振腔的输入腔镜；4、激光增益介质；5、可饱和吸收体；6、谐振腔的输出腔镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于石墨烯吸收体的被动调Q Nd:KLu(WO4)2人眼安全激光器，其特征在于：所述激光器包括激光二极管泵浦源1、光学聚焦耦合系统2、谐振腔的输入腔镜3、激光增益介质4、可饱和吸收体5和谐振腔的输出腔镜6。
所述激光二极管泵浦源1的808nm泵浦激光经光学聚焦系统2准直聚焦后，通过谐振腔的输入腔镜3入射到激光增益介质4表面，激光增益介质4中的激活离子Nd3+发生粒子数反转产生1.1μm、1.3μm和1.4μm波段的受激辐射。由于谐振腔的输入腔镜3和输出腔镜4都镀有1.1μm和1.3μm的增透膜，谐振腔可以很好地抑制1.1μm和1.3μm的受激辐射，使腔内形成以1425nm为主的激光振荡，再利用可饱和吸收体5的饱和吸收特性调节谐振腔的增益损耗以产生调Q脉冲。所产生的调Q脉冲由谐振腔的输出腔镜6进行输出。
所述激光二极管泵浦源1的中心波长为808nm，其耦合光纤的芯径为400μm，数值孔径为0.22；所述光学聚焦耦合系统2包括准直透镜组和聚焦透镜组，其将泵浦激光准直聚焦到激光增益介质的端面上，在激光增益介质端面上形成的光腰直径约为200μm；所述谐振腔的输入腔镜3为一平凹面镜，平面镀有808nm抗反射膜，凹面镀有808nm的增透膜和1425nm的增反膜；所述谐振腔的输出腔镜6为一平面镜，镀有1425nm的部分反射膜(透过率为1.3％)；所述谐振腔的输入腔镜3和输出腔镜6都镀有1.1μm和1.3μm波段的增透膜(透过率大于95％)；由谐振腔的输入腔镜3和输出腔镜6组成的谐振腔的长度为25mm；所述激光增益介质4为Nd:KLu(WO4)2晶体，掺Nd浓度为0.5at.％，晶体尺寸为4×4×10mm3，在激光光路经过的两个端面都镀有1425nm和808nm的减反膜(反射率小于0.2％)；所述可饱和吸收体5为生长在碳化硅晶片上的5至7层厚的石墨烯，碳化硅晶片的厚度约为1mm。
图2至图5展示了本发明激光器调Q输出的性能。如图2所示，调Q输出的中心波长为1425nm，没有出现其他波长，由于精心设计的腔体，很好地抑制了1.1μm和1.3μm的受激辐射；如图3和图4所示，调Q脉冲的脉冲重复率为97kHz，脉冲宽度为153ns，脉冲串的脉冲间幅度波动小于5％；脉冲宽度和脉冲重复率与泵浦功率的关系如图5所示，可以发现，随着泵浦功率的增加，脉冲宽度从630ns变化到153ns，同时，重复频率从12.7kHz变为97kHz，在9.6W的泵浦功率下，获得了153ns的最小脉冲宽度和97kHz的最大重复频率。以上这些说明本发明激光器实现了稳定可靠的调Q脉冲输出。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于石墨烯吸收体的被动调Q Nd:KLu(WO4)2人眼安全激光器，其特征在于：所述激光器包括激光二极管泵浦源(1)、光学聚焦耦合系统(2)、谐振腔的输入腔镜(3)、激光增益介质(4)、可饱和吸收体(5)和谐振腔的输出腔镜(6)。
所述激光二极管泵浦源(1)的808nm泵浦激光经光学聚焦耦合系统(2)准直聚焦后，通过谐振腔的输入腔镜(3)入射到激光增益介质(4)中，激光增益介质(4)中的激活离子Nd3+发生粒子数反转产生1.1μm、1.3μm和1.4μm波段的受激辐射。由于谐振腔的输入腔镜(3)和输出腔镜(4)都镀有1.1μm和1.3μm的增透膜，谐振腔可以很好地抑制1.1μm和1.3μm的受激辐射，使腔内形成以1425nm为主的激光振荡，再利用可饱和吸收体(5)的饱和吸收特性调节谐振腔的损耗以产生调Q脉冲。所产生的调Q脉冲由谐振腔的输出腔镜(6)进行输出。
2.根据权利要求1所述一种基于石墨烯吸收体的被动调Q Nd:KLu(WO4)2人眼安全激光器，其特征在于：所述激光二极管泵浦源(1)的中心波长为808nm，其耦合光纤的芯径为400μm，数值孔径为0.22。
3.根据权利要求1所述一种基于石墨烯吸收体的被动调Q Nd:KLu(WO4)2人眼安全激光器，其特征在于：所述光学聚焦耦合系统(2)包括准直透镜组和聚焦透镜组，其将泵浦激光准直聚焦到激光增益介质的端面上，在激光增益介质端面上形成的光腰直径约为200μm。
4.根据权利要求1所述一种基于石墨烯吸收体的被动调Q Nd:KLu(WO4)2人眼安全激光器，其特征在于：所述谐振腔的输入腔镜(3)为一平凹面镜，平面镀有808nm抗反射膜，凹面镀有808nm的增透膜和1425nm的增反膜；所述谐振腔的输出腔镜(6)为一平面镜，镀有1425nm的部分反射膜(透过率为1.3％)；所述谐振腔的输入腔镜(3)和输出腔镜(6)都镀有1.1μm和1.3μm波段的增透膜(透过率大于95％)。
5.根据权利要求1所述一种基于石墨烯吸收体的被动调Q Nd:KLu(WO4)2人眼安全激光器，其特征在于：由所述谐振腔的输入腔镜(3)和输出腔镜(4)所组成的谐振腔的长度为25mm。
6.根据权利要求1所述一种基于石墨烯吸收体的被动调Q Nd:KLu(WO4)2人眼安全激光器，其特征在于：所述激光增益介质(4)为Nd:KLu(WO4)2晶体，掺Nd浓度为0.5at.％，晶体尺寸为4×4×10mm3，在激光光路经过的两个端面都镀有1425nm和808nm的减反膜(反射率小于0.2％)。
7.根据权利要求1所述一种基于石墨烯吸收体的被动调Q Nd:KLu(WO4)2人眼安全激光器，其特征在于：所述可饱和吸收体(5)为生长在碳化硅晶片上的5至7层厚的石墨烯，碳化硅晶片的厚度约为1mm。
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CN116683268A (zh) * 2023-07-31 2023-09-01 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 1.3μm波段芯片级半导体/固体垂直集成被动调Q激光器

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