CN205921196U - 一种基于CrOCl晶体的激光脉冲调制器的全固态激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于CrOCl晶体的激光脉冲调制器的全固态激光器，CrOCl激光脉冲调制器由CrOCl晶体制得，基于CrOCl激光脉冲调制器的全固态激光器包括CrOCl激光脉冲调制器。本实用新型将CrOCl晶体用作激光脉冲调制器，具有以下优势：(1)Cr3+离子在CrOCl晶体中是基质离子，有浓度高、分布均匀的特点，可饱和吸收效应具有高效性、均匀性。(2)工作波段宽。CrOCl晶体的短波截止边位于600nm，长波截止边位于18mm，在这个波段内都可实现可饱和吸收。(3)容易制备，可用气相传输法生长，产率高，尺寸大，易剥离，且表面光滑，可直接用于激光脉冲的调制，生产和加工过程极为便利。

Description

一种基于CrOCl晶体的激光脉冲调制器的全固态激光器

技术领域

本实用新型涉及一种基于CrOCl晶体的激光脉冲调制器的全固态激光器，属于激光技术领域。

背景技术

激光器被誉为20世纪最伟大的实用新型之一，发展至今已形成一个巨大的产业，影响着国民经济的各个领域。脉冲激光具有峰值功率高、能量大、脉冲时间短等优势，是激光的重要组成部分和发展方向，在国防、科研、医疗等众多领域有重要应用。实现脉冲激光的技术可大致分为两类：主动调制、被动调制。通过材料本身的可饱和吸收特性对激光产生过程的损耗进行调节，从而获得脉冲激光的方式称为被动调制技术。被动调制具有操作简单、结构紧凑、能耗低等优势，在脉冲激光中扮演着重要角色，其应用越来越普遍。目前常用的可饱和吸收材料有两类：1.具有特殊离子掺杂的绝缘体材料，如掺铬的钇铝石榴石(Cr:YAG)晶体或陶瓷以及色心晶体；2.半导体材料，如砷化镓或特殊工艺做成的可饱和吸收镜(SESAM)。这两类材料制备工艺较为复杂，并且可饱和吸收性能对于波长有很强的依赖性，因此应用范围有限。目前，人们仍在积极探索新型的性能更加优异、全面的可饱和吸收材料。

Cr离子掺杂的晶体在激光调制领域具有重要地位。因其生长条件不同，可以形成不同价态，如二价Cr²⁺、三价Cr³⁺、四价Cr⁴⁺和五价Cr⁵⁺。其中，四价Cr⁴⁺离子掺杂的晶体是产生1μm附近脉冲激光的常用材料，是被动调Q和锁模的重要元件，最典型的如Cr⁴⁺:YAG。利用二价Cr²⁺离子掺杂的晶体(Cr²⁺:ZnSe)在1.645μm波段实现了激光调Q。利用五价Cr⁵⁺离子掺杂的晶体(Cr⁵⁺:YVO₄)在1.08μm波段实现了激光调Q。到目前为止还未发现三价Cr³⁺离子晶体的可饱和吸收效应。

我们在开孔Z扫描测试中首次发现，CrOCl晶体具有强的可饱和吸收特性，即在弱光照射时透过率较低，而在强光照射时透过率显著提高。实验装置如图1所示，包含泵浦源1、分光镜2、聚焦透镜3、CrOCl晶体4、第一能量计5、第二能量计6。泵浦源1为染料锁模Nd：YAG脉冲激光器(美国Continuum公司生产，型号PY61C-10，波长1064nm,脉冲宽度40ps,工作频率10Hz)，分光镜2将泵浦源1的出射光束分为两束，光束一照射在聚焦透镜3上，聚焦透镜3的焦距为300mm，光束一透过聚焦透镜3和CrOCl晶体4后照射在第一能量计5上，光束二照射在第二能量计6上作为参考光束，第一能量计5和第二能量计6连接计算机进行数据采集。实验过程中，CrOCl晶体在轨道上沿光轴方向直线移动，当CrOCl晶体靠近焦点时光束能量密度逐渐升高，并在焦点位置达到最大，通过焦点后光束能量密度逐渐降低。实验中CrOCl晶体的总移动距离为100mm，光束焦点位于中间位置。实验结果如图2所示，图2中，拟合曲线是根据非线性光学理论对实验数据的拟合，crocl晶体沿光轴方向由远距离接近焦点位置时归一化透过率逐渐增大至150％，表明crocl晶体在1064nm激光照射下通过焦点位置附近时产生了饱和吸收现象，显示了CrOCl晶体具有强的可饱和吸收特性，可作为被动调制元件产生高峰值功率的脉冲激光。

中国专利文献CN101378173A公开了掺铬钼酸铝铷可调谐激光晶体及其制备方法和用途，涉及一种可调谐固态激光器中的工作介质。该方法采用60-80at％Rb₂Mo₃O₁₀为助熔剂，降温速率为1-5℃/天，转速为5-30转/分钟，生长出了高质量、较大尺寸的Cr³⁺:RbAl(MoO₄)₂晶体。该晶体属三方晶系，具有P空间群结构，折射率1.73。该晶体可作为可调谐激光晶体，其可调谐范围在710-1000nm之间，用该晶体制成的固体激光器可用于光谱学、生物医学、军事等诸多领域中。在该专利中，掺铬钼酸铝铷晶体是一种激光晶体，用作可调谐固体激光器中的工作介质，产生宽调谐激光输出，铬离子在晶体结构中是掺杂离子，部分取代铝离子的晶格位置，含量较少(掺杂浓度在0.2at％-0.5at％之间)。而在本专利中，虽然Cr离子也是三价态，但在CrOCl的晶格结构中属于基质离子而非掺杂离子，因此晶格占有率为100at％，浓度更高、分布更均匀。从功能上来看本专利中的CrOCl是一种可饱和吸收体，用于激光调制，本身并不发射激光，而在上述专利中Cr³⁺:RbAl(MoO₄)₂是一种激光晶体，本身发射激光。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于CrOCl晶体的激光脉冲调制器的全固态激光器；

本实用新型首次将三价Cr³⁺离子晶体即CrOCl晶体用作激光脉冲调制器，与已有的Cr离子掺杂型可饱和吸收体相比具有以下显著优势：(1)Cr³⁺离子在CrOCl晶体中是基质离子，而不是掺杂离子，具有浓度高、分布均匀的特点，相应地其可饱和吸收效应具有高效性、均匀性。(2)工作波段宽。CrOCl晶体的短波截止边位于600nm，长波截止边位于18μm，在这个波段内都可实现可饱和吸收，而传统的Cr离子掺杂型可饱和吸收体的可用波段仅为几百纳米甚至更窄。(3)容易制备，CrOCl晶体是具有层状结构的晶体材料,可用气相传输法生长，产率高，尺寸大，易剥离，且表面光滑，可直接用于激光脉冲的调制，生产和加工过程极为便利。

术语解释

“增透”：一般指对特定波长的光透过率≥95％，“高反射”一般指对特定波长的光反射率≥99％，“部分反射”一般指对特定波长的光反射率在30％-99％之间。

本实用新型的技术方案为：

一种基于CrOCl激光脉冲调制器的全固态激光器，包括沿光路依次安放的第一泵浦源、第一前腔镜、第一激光增益介质、所述CrOCl激光脉冲调制器、第一输出镜。

根据本实用新型优选的，所述第一泵浦源为半导体激光二极管(LD)或氙灯。提供泵浦能量。

所述第一前腔镜及所述第一输出镜组成第一谐振腔，所述第一前腔镜镀以对激光工作波段高反射介质膜，所述第一输出镜镀以对激光工作波段反射介质膜。

所述第一激光增益介质为半导体、激光晶体、激光陶瓷或激光玻璃。所有能产生激光增益的固体介质都可以作为第一激光增益介质，加工成圆柱体或者长方体，其端面镀以有利于泵浦光吸收和激光振荡的介质膜，也可以只抛光不镀膜。

将所述CrOCl激光脉冲调制器放于谐振腔内，形成调Q或锁模激光输出。上述全固态脉冲激光器的谐振腔参数可自行设计，如腔长、腔镜曲率、输出镜的耦合透过率等，并可根据实际需要添加全反镜以改变腔型，相关设计是本领域熟知的技术。

根据本实用新型优选的，所述第一激光增益介质为钕掺杂钇铝石榴石Nd:YAG晶体或钕掺杂钒酸钇Nd:YVO₄晶体，所述钕掺杂钇铝石榴石Nd:YAG晶体中Nd³⁺离子浓度为0.1-3at.％，所述钕掺杂钒酸钇Nd:YVO₄晶体中Nd³⁺离子浓度为0.1-5at.％。

一种端面泵浦基于CrOCl激光脉冲调制器的调Q激光器，包括沿光路依次安放的第二泵浦源、第一光纤耦合系统、第一聚焦系统、第二前腔镜、第二激光增益介质、所述CrOCl激光脉冲调制器、第二输出镜。

第二泵浦源发出的泵浦光经第一光纤耦合系统、第一聚焦系统和第二前腔镜输入到第二激光增益介质中，产生的激光被CrOCl激光脉冲调制器调制，从第二输出镜一端输出调Q脉冲。

根据本实用新型优选的，所述第二前腔镜及第二输出镜组成第二谐振腔，所述第二谐振腔长度为1-10cm；

所述第二泵浦源为发射波长为808nm的激光二极管(LD)；

所述第二前腔镜为平凹前腔镜，所述第二前腔镜的平面即靠近所述第一聚焦系统一端的表面镀以对808nm增透的介质膜，所述第二前腔镜的凹面即靠近所述第二激光增益介质一端的表面镀以对1.05-1.1μm高反射的介质膜，所述第二前腔镜的凹面的曲率半径为20-1000mm；

所述第二激光增益介质为Nd:YAG晶体；

所述第二输出镜靠近所述第二激光增益介质一端的表面镀以对1.05-1.1μm部分反射的介质膜，所述第二输出镜的另一端的表面镀以对1.05-1.1μm增透的介质膜。

根据本实用新型优选的，所述第二谐振腔长度为1cm。为了抑制锁模激光的产生，所述谐振腔越短越好，以长度1cm为佳。

一种端面泵浦基于CrOCl激光脉冲调制器的锁模激光器，包括第三泵浦源、第二光纤耦合系统、第二聚焦系统、第三前腔镜、第三激光增益介质、平凹反射镜、所述CrOCl激光脉冲调制器、第三输出镜，所述第三前腔镜、所述平凹反射镜和所述第三输出镜构成V型谐振腔。

第三泵浦源发出的泵浦光经第二光纤耦合系统、第二聚焦系统和第三前腔镜输入到第三激光增益介质中，所产生激光被CrOCl激光脉冲调制器调制，最后经第三输出镜输出锁模脉冲。

根据本实用新型优选的，所述第三泵浦源为发射波长808nm的激光二极管(LD)；

所述第三前腔镜为平面镜，所述第三前腔镜的靠近所述第二聚焦系统一端的表面镀以对808nm增透的介质膜，所述第三前腔镜的靠近所述第三激光增益介质的一端的表面镀以对1.05-1.1μm高反射的介质膜；

所述第三激光增益介质是Nd:YVO₄晶体；入射端面镀有对808nm、1064nm增透的介质膜，出射端面上镀以对1064nm增透的介质膜。

所述平凹反射镜的凹面镀以对1.05-1.1μm高反射的介质膜；

所述第三输出镜为平面输出镜，所述第三输出镜靠近V型谐振腔一端的表面镀以对1064nm反射率为97％的部分反射介质膜，所述第三输出镜的另一端表面镀以对1064nm增透的介质膜。

一种氙灯侧面泵浦基于CrOCl激光脉冲调制器被动调Q脉冲激光器，包括第四前腔镜、第四泵浦源、第四激光增益介质、所述CrOCl激光脉冲调制器、第四输出镜，所述第四泵浦源为氙灯。

所述第四前腔镜为平面镜，所述第四前腔镜靠近所述第四激光增益介质的一端表面镀以对1.05-1.1μm高反射的介质膜；

所述第四激光增益介质为Nd:YAG晶体，Nd³⁺离子浓度为0.4at.％；

所述第四输出镜靠近第四激光增益介质一端表面镀以对1064nm反射率为60％的介质膜，所述第四输出镜的另一端镀以对1064nm增透的介质膜。

通过CrOCl激光脉冲调制器的调制可实现1064nm调Q激光输出。

CrOCl激光脉冲调制器，是由CrOCl晶体制得，具体步骤包括：

(1)由CrOCl晶体的线性光学吸收系数，结合所需初始透过率计算出所需CrOCl晶体厚度；

(2)挑选或者剥离出所需厚度的CrOCl晶体，加工成外形规整的器件；例如，矩形、方形、圆形；

(3)针对工作波长对通光面进行镀膜，外包制冷铜块，制成被动调Q或锁模元件。

上述CrOCl晶体，室温下晶胞参数为：透光范围在0.6～18μm。在该波段均可用作激光脉冲调制器件。

上述CrOCl晶体的制备方法，具体步骤如下：将纯度大于99.90％的Cr₂O₃和纯度大于99.0％的CrCl₃，按1:1的摩尔比配比后放置在真空密封的石英管中，以HgCl₂为传输介质，将石英管加热，在石英管长度方向上形成温度梯度，原料端温度为1100-1300K，产物端温度为1000-1200K，加热时间100-140h，CrOCl晶体生长完毕后，降至室温。

本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型提供的CrOCl激光脉冲调制器是第一个三价Cr³⁺离子材料制成的光学可饱和吸收器件。

2、本实用新型中Cr³⁺离子在CrOCl晶体材料中作为基质离子存在，而不是传统的掺杂离子，保证了可饱和吸收效应的高效性和均匀性。

3、工作波段宽。CrOCl晶体的透光范围在0.6～18μm，对于此波段内任意波长的激光均有调制作用。

4、制作简单、成本低，便于产业化以及批量生产。其特有的层状习性及光滑表面甚至可以免加工使用。

附图说明

图1为本实用新型测试用的开孔Z扫描实验装置；

图1中，1、泵浦源，2、分光镜，3、聚焦透镜，4、CrOCl晶体，5、第一能量计，6、第二能量计。

图2为本实用新型开孔Z扫描实验的测试结果示意图。

图3为端面泵浦基于CrOCl激光脉冲调制器的调Q激光器结构示意图，

图3中，7、第二泵浦源，8、第一光纤耦合系统，9、第一聚焦系统，10、第二前腔镜，11、第二激光增益介质，12、CrOCl激光脉冲调制器，13、第二输出镜。

图4(a)为当激光工作波长为1.06μm时，图3所述调Q激光器中CrOCl激光脉冲调制器的平均输出功率示意图；

图4(b)为当激光工作波长为1.06μm时，图3所述调Q激光器中CrOCl激光脉冲调制器的脉冲宽度示意图；

图4(c)为当激光工作波长为1.06μm时，图3所述调Q激光器中CrOCl激光脉冲调制器的重复频率示意图；

图4(d)为当激光工作波长为1.06μm时，图3所述调Q激光器中CrOCl激光脉冲调制器的脉冲序列及波形示意图；

图5(a)为当激光工作波长为1.34μm时，图3所述调Q激光器中CrOCl激光脉冲调制器的平均输出功率示意图；

图5(b)当激光工作波长为1.34μm时，图3所述调Q激光器中CrOCl激光脉冲调制器的脉冲宽度示意图；

图5(c)当激光工作波长为1.34μm时，图3所述调Q激光器中CrOCl激光脉冲调制器的重复频率示意图；

图5(d)当激光工作波长为1.34μm时，图3所述调Q激光器中CrOCl激光脉冲调制器的脉冲序列及波形示意图；

图6为端面泵浦基于CrOCl激光脉冲调制器的锁模激光器结构示意图；

图6中，14、第三泵浦源，15、第二光纤耦合系统，16、第二聚焦系统，17、第三前腔镜，18、第三激光增益介质，19、平凹反射镜，20、第三输出镜。

图7为氙灯侧面泵浦基于CrOCl激光脉冲调制器被动调Q脉冲激光器结构示意图；

图7中，21、第四前腔镜，22、第四泵浦源，23、第四激光增益介质，24、第四输出镜。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本实用新型作进一步限定，但不限于此。

实施例1

一种基于CrOCl激光脉冲调制器的全固态激光器，包括沿光路依次安放的第一泵浦源、第一前腔镜、第一激光增益介质、所述CrOCl激光脉冲调制器、第一输出镜。

所述第一泵浦源为半导体激光二极管(LD)或氙灯。提供泵浦能量。

所述第一前腔镜及所述第一输出镜组成第一谐振腔，所述第一前腔镜镀以对激光工作波段高反射介质膜，所述第一输出镜镀以对激光工作波段反射介质膜；

所述第一激光增益介质为半导体、激光晶体、激光陶瓷或激光玻璃。所有能产生激光增益的固体介质都可以作为第一激光增益介质，加工成圆柱体或者长方体，其端面镀以有利于泵浦光吸收和激光振荡的介质膜，也可以只抛光不镀膜。

将所述CrOCl激光脉冲调制器放于谐振腔内，形成调Q或锁模激光输出。上述全固态脉冲激光器的谐振腔参数可自行设计，如腔长、腔镜曲率、输出镜的耦合透过率等，并可根据实际需要添加全反镜以改变腔型，相关设计是本领域熟知的技术。

所述第一激光增益介质为钕掺杂钇铝石榴石Nd:YAG晶体或钕掺杂钒酸钇Nd:YVO₄晶体，所述钕掺杂钇铝石榴石Nd:YAG晶体中Nd³⁺离子浓度为0.1-3at.％，所述钕掺杂钒酸钇Nd:YVO₄晶体中Nd³⁺离子浓度为0.1-5at.％。

实施例2

一种端面泵浦基于CrOCl激光脉冲调制器的调Q激光器，包括沿光路依次安放的第二泵浦源7、第一光纤耦合系统8、第一聚焦系统9、第二前腔镜10、第二激光增益介质11、所述CrOCl激光脉冲调制器12、第二输出镜13。如图3所示。

第二泵浦源7发出的泵浦光经第一光纤耦合系统8、第一聚焦系统9和第二前腔镜10输入到第二激光增益介质中11，产生的激光被CrOCl激光脉冲调制器12调制，从第二输出镜13一端输出调Q脉冲。

第二前腔镜10及第二输出镜13组成第二谐振腔，第二谐振腔长度为27mm；

第二泵浦源7为发射波长为808nm的激光二极管(LD)；

第二前腔镜10为平凹前腔镜，第二前腔镜10的直径为20mm，曲率半径为250mm，第二前腔镜10的平面即靠近所述第一聚焦系统9一端的表面镀以对808nm增透的介质膜，第二前腔镜10的凹面即靠近所述第二激光增益介质11一端的表面镀以对1.05-1.1μm高反射的介质膜；

第二激光增益介质11为Nd:YAG晶体，Nd³⁺离子浓度为0.4at.％；入射端面镀有对808nm、1064nm增透的介质膜，出射端面上镀以对1064nm增透的介质膜。

第二输出镜13靠近第二激光增益介质11一端的表面镀以对1.05-1.1μm部分反射的介质膜，在1064nm处反射率为90％，第二输出镜13的另一端的表面镀以对1.05-1.1μm增透的介质膜。

所述CrOCl激光脉冲调制器12的厚度为0.01mm。

当激光工作波长为1.06μm时，本实施例所述调Q激光器中CrOCl激光脉冲调制器的平均输出功率如图4(a)所示，最大平均输出功率47mW。

本实施例所述调Q激光器中CrOCl激光脉冲调制器的脉冲宽度如图4(b)所示，最窄脉宽为301ns。

本实施例所述调Q激光器中CrOCl激光脉冲调制器的重复频率如图4(c)所示，最高重复频率380kHz。

本实施例所述调Q激光器中CrOCl激光脉冲调制器的脉冲序列及波形如图4(d)所示。

实施例3

根据实施例2所述的一种端面泵浦基于CrOCl激光脉冲调制器的调Q激光器，其区别在于，

第二前腔镜10的凹面即靠近所述第二激光增益介质11一端的表面镀以对1.3-1.4μm高反射、1064nm增透的介质膜；

第二激光增益介质11为Nd:YAG晶体，Nd³⁺离子浓度为0.5at.％；入射端面镀有对808nm、1064nm、1.34μm增透的介质膜，出射端面镀有对1064nm、1.34μm增透的介质膜。

第二输出镜13直径为20mm，靠近第二激光增益介质11一端的表面镀以1064nm增透、1.3-1.4μm部分反射膜，在1.34μm处反射率为90％，第二输出镜13的另一端的表面镀以1064nm、1.3-1.4μm增透的介质膜。

第二前腔镜10及第二输出镜13组成第二谐振腔，第二谐振腔长度为20mm；

当激光工作波长为1.34μm时，本实施例所述调Q激光器中CrOCl激光脉冲调制器的平均输出功率如图5(a)所示，最大平均输出功率77mW。

本实施例所述调Q激光器中CrOCl激光脉冲调制器的脉冲宽度如图5(b)所示，最窄脉宽为256ns。

本实施例所述调Q激光器中CrOCl激光脉冲调制器的重复频率如图5(c)所示，最高重复频率603kHz。

本实施例所述调Q激光器中CrOCl激光脉冲调制器的脉冲序列及波形如图5(d)所示。

实施例4

一种端面泵浦基于CrOCl激光脉冲调制器的锁模激光器，包括第三泵浦源14、第二光纤耦合系统15、第二聚焦系统16、第三前腔镜17、第三激光增益介质18、平凹反射镜19、所述CrOCl激光脉冲调制器12、第三输出镜20，所述第三前腔镜17、所述平凹反射镜19和所述第三输出镜20构成V型谐振腔。如图6所示。

第三泵浦源14发出的泵浦光经第二光纤耦合系统15、第二聚焦系统16和第三前腔镜17输入到第三激光增益介质18中，所产生激光被CrOCl激光脉冲调制器12调制，最后经第三输出镜20输出锁模脉冲。

第三泵浦源14为发射波长808nm的激光二极管(LD)；

第三前腔镜17为直径为20mm的平面镜，所述第三前腔镜17的靠近第二聚焦系统16一端的表面镀以对808nm增透的介质膜，所述第第三前腔镜17的靠近所述第三激光增益介质18的一端的表面镀以对1.05-1.1μm高反射的介质膜；

所述第三激光增益介质18是Nd:YVO₄晶体，Nd³⁺离子浓度为0.5at.％；入射端面镀有对808nm、1064nm增透的介质膜，出射端面上镀以对1064nm增透的介质膜。

所述平凹反射镜19的凹面镀以对1.05-1.1μm高反射的介质膜；

第三输出镜20为平面输出镜，第三输出镜20靠近V型谐振腔一端的表面镀以对1064nm反射率为97％的部分反射介质膜，第三输出镜20的另一端表面镀以对1064nm增透的介质膜。

实施例5

一种氙灯侧面泵浦基于CrOCl激光脉冲调制器被动调Q脉冲激光器，包括第四前腔镜21、第四泵浦源22、第四激光增益介质23、所述CrOCl激光脉冲调制器12、第四输出镜24，所述第四泵浦源22为氙灯。如图7所示。

所述第四前腔镜21为平面镜，所述第四前腔镜21靠近所述第四激光增益介质23的一端表面镀以对1.05-1.1μm高反射的介质膜；

所述第四激光增益介质23为Nd:YAG晶体，Nd³⁺离子浓度为0.4at.％；

所述第四输出镜24靠近第四激光增益介质23一端表面镀以对1064nm反射率为60％的介质膜，所述第四输出镜24的另一端镀以对1064nm增透的介质膜。

通过CrOCl激光脉冲调制器12的调制可实现1064nm调Q激光输出。

Claims (3)

1.一种基于CrOCl晶体的激光脉冲调制器的全固态激光器，其特征在于，包括沿光路依次安放的第一泵浦源、第一前腔镜、第一激光增益介质、CrOCl激光脉冲调制器、第一输出镜。

2.根据权利要求1所述的全固态激光器，其特征在于，所述第一泵浦源为半导体激光二极管或氙灯；

所述第一前腔镜及所述第一输出镜组成第一谐振腔，所述第一前腔镜镀以对激光工作波段高反射介质膜，所述第一输出镜镀以对激光工作波段部分反射介质膜；

所述第一激光增益介质为半导体、激光晶体、激光陶瓷或激光玻璃。

3.根据权利要求1所述的全固态激光器，其特征在于，所述第一激光增益介质为钕掺杂钇铝石榴石Nd:YAG晶体或钕掺杂钒酸钇Nd:YVO₄晶体。