CN206076721U - 掺铁硒化锌可饱和吸收镜及其构成的锁模光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种掺铁硒化锌可饱和吸收镜及其构成的锁模光纤激光器，该掺铁硒化锌可饱和吸收镜包括基底、镀在所述基底上的高反射膜以及镀在所述高反射膜上的掺铁硒化锌薄膜，由于该掺铁硒化锌可饱和吸收镜以掺铁硒化锌薄膜为可饱和吸收体，同时掺铁硒化锌薄膜本身具有较高的损伤阈值，能够用于高功率激光器的研制，弥补了本领域缺少高损伤阈值可饱和吸收镜或可饱和吸收体的空缺；基于上述掺铁硒化锌可饱和吸收镜构成的锁模光纤激光器，利用双包层增益光纤获得激光，并通过掺铁硒化锌可饱和吸收镜对激光进行调制实现锁模，获得超短脉冲激光。

Description

掺铁硒化锌可饱和吸收镜及其构成的锁模光纤激光器

技术领域

本实用新型属于激光技术领域，涉及超短脉冲激光技术，具体涉及一种掺铁硒化锌可饱和吸收镜及其锁模光纤激光器。

背景技术

近年来，超短脉冲激光因其在大气通信、环境监测、超快光学、光纤传感、工业加工、激光制导、生物医疗、激光手术、激光雷达和激光对抗等领域的广泛应用前景，引起人们极大的研究兴趣。

实现超短脉冲的常用方法为锁模技术，包括主动锁模、被动锁模和自锁模等，其中主动锁模和被动锁模均通过在激光器谐振腔内设置合适的非线性器件或者从外部驱动光调制器来实现，而主动锁模是根据调制器施加的射频信号提供的相位或频率来对激光进行调制获得超短脉冲激光，被动锁模是根据辐射本身与被动非线性器件共同产生周期性调制，导致轴向模固定的相位关系，从而获得超短脉冲激光；自锁模又称克尔透镜锁模，是利用激活介质本身的非线性效应对振荡光束进行强度调制、相位锁定，来实现锁模、获得超短脉冲激光的。上述三种锁模技术中，由于被动锁模技术能产生皮秒乃至飞秒量级的超短脉冲，且利用被动锁模原理设计的激光产生系统结构简单、易于操作而备受本领域研究人员的青睐。

研究人员在被动锁模技术中通常采用具有非线性吸收特性的可饱和吸收体作为非线性器件实现光纤激光器锁模，输出超短脉冲；可饱和吸收体具有可饱和吸收特性，可饱合吸收体对光的吸收与光强度有关，其吸收系数随光强的增加而减少，利用可饱和吸收体的这种特性，可以在激光器中实现对损耗的调制。以可饱和吸收体作为非线性器件实现激光器锁模的过程为：在没有发生锁模之前，激光器产生的泵浦光分布基本上市均匀的，但由于可饱和吸收的特性，光强弱的信号透过可饱和吸收体的概率小，受到的损耗大，而光强强的信号头盖骨可饱和吸收体的概率大，损耗小，且其损耗可通过增益器件得到补偿，这就使得初始光强大的信号不断被放大，而初始光强小的信号最终被湮灭，在激光信号成长的过程中，信号的前沿、后沿由于相对强度较小而不断被销陡，使信号不断变窄，形成宽度缩短的脉冲，直至脉冲的光谱宽度与增益带宽相近，从而形成单个的、非常短的、在激光腔内往返传输的超短脉冲。目前，研究人员通常采用单壁碳纳米管、石墨烯等作为可饱和吸收体或者商用半导体可饱和吸收镜(Semiconductor Saturable Absorber Mirror，SESAM)来实现光纤激光器锁模、产生超短脉冲；但是，上述可饱和吸收体或可饱和吸收镜均存在一些缺陷：(1)单壁碳纳米管易聚集成束，很难分散，严重影响其光学性能；(2)石墨烯的光损伤阈值也相对较低，不适用于全方位研究的超快光纤激光器的动力学特性；(3)SESAM的制作工艺复杂、生产成本昂贵，此外其光损伤阈值很低，为了提高损伤阈值，需要特殊设计。

因此，研制出损伤阈值高、工艺简单、生产成本低廉的可饱和吸收体一直是超快激光物理领域追求的目标。

实用新型内容

本实用新型的目的旨在针对目前可饱和吸收体的光损伤阈值较低的问题，提供一种具有较高光损伤阈值的掺铁硒化锌可饱和吸收镜；

本实用新型另一目的是提供一种基于上述掺铁硒化锌可饱和吸收镜构成的锁模光纤激光器。

针对第一个实用新型目的，本实用新型提供的掺铁硒化锌可饱和吸收镜，其构成包括基底、镀在所述基底上的高反射膜以及镀在所述高反射膜上的掺铁硒化锌薄膜。所述述基底的材料可为石英、氟化钙、碳化硅等，也可以选择光纤端面作为基底；所述高反射膜要求对光具有很高的反射特性，可以选择金膜或银膜，高反射厚度不小于300nm；所述掺铁硒化锌薄膜具有可饱和吸收特性，可以实现对激光光强的调制，协助激光器实现锁模；该掺铁硒化锌薄膜材料为Fe²⁺:ZnSe晶体，即以所述ZnSe晶体为待掺杂晶体，以Fe²⁺为掺杂离子，Fe²⁺的浓度范围为1×10¹⁷～1×10¹⁹cm^-3，所述掺铁硒化锌薄膜厚度不大于5μm，可以根据实际加工要求，在50nm～5μm之间选择，优选为200nm～3μm。

上述掺铁硒化锌可饱和吸收镜的制备方法，包括如下步骤：

(1)于真空不大于1×10^-4Pa、温度400～800℃条件下，在基底上沉积设定厚度的高反射膜；

(2)于真空不大于1×10^-4Pa、温度400～800℃条件下，在高反射膜上沉积设定厚度的掺铁硒化锌薄膜。

上述掺铁硒化锌可饱合吸收镜的制备方法中，步骤(1)的目的是在基底上沉积设定厚度的高反射膜，可以采用磁控溅射、脉冲激光沉积或者电子束蒸镀等方法来实现，为了获得致密性好、纯度高的高反射膜，首先将沉积设备腔体内真空抽至不大于1×10^-4Pa，然后将腔体内基底托的温度升至400～800℃，再采用磁控溅射、脉冲激光沉积或者电子束蒸镀等方法在基底上沉积设定厚度的高反射膜。

上述掺铁硒化锌可饱合吸收镜的制备方法中，步骤(2)的目的是在高反射膜上沉积设定厚度的掺铁硒化锌薄膜，可以采用磁控溅射或者脉冲激光沉积等方法来实现，为了获得致密性好、纯度高的掺铁硒化锌薄膜，首先将沉积设备腔体内真空抽至不大于1×10^{- 4}Pa，然后将腔体内基底托的温度升至400～800℃，再采用磁控溅射或者脉冲激光沉积等方法在基底上沉积设定厚度的高反射膜。脉冲激光沉积原理为，飞秒激光系统发出的峰值功率为2×10¹⁰W～4×10¹⁰W的激光将掺铁硒化锌晶体靶材表面电离化，产生掺铁硒化锌等离子，产生的掺铁硒化锌等离子体沉积到高反射膜上形成掺铁硒化锌薄膜，通过这种方法沉积得到的掺铁硒化锌薄膜，其结晶性较好、薄膜厚度均匀、且可保证掺铁硒化锌薄膜在5μm及以下厚度均具有良好的可饱和吸收特性。

针对第二个实用新型目的，本实用新型提供了一种由上述掺铁可饱和吸收镜构成的锁模光纤激光器，该锁模光纤激光器的构成包括对应设置的半导体激光器泵浦源、光学耦合组件、双包层增益光纤和所述掺铁硒化锌可饱和吸收镜，所述双包层增益光纤一端为垂直截面，另一端为斜切面，双包层增益光纤垂直截面与掺铁硒化锌可饱和吸收镜构成激光谐振腔，由半导体激光器泵浦源产生的泵浦光经光学耦合组件准直聚焦后进入双包层增益光纤产生激光，产生的激光在所述激光谐振腔内谐振放大后经掺铁硒化锌可饱和吸收镜反射并调制锁模，锁模后的激光再次进入双包层增益光纤进行放大输出。该锁模光纤激光器通过双包层增益光纤产生激光，并通过掺铁硒化锌可饱和吸收镜产生的激光实现锁模，获得的锁模激光再经双包层增益光纤放大输出得到超短脉冲。

上述锁模光纤激光器，光学耦合组件主要用于对泵浦光或产生的激光准直或聚焦，或者对激光进行有选择的反射，主要由透镜和二向色镜构成。根据掺铁硒化锌可饱和吸收镜与双包层增益光纤的设置位置，光学耦合组件具有两种实现方式：

第一种实现方式中，光学耦合组件包括第一透镜、第二透镜和二向色镜；第一透镜位于半导体激光器泵浦源后方，用于将半导体激光器泵浦源发出的泵浦光进行准直；第二透镜位于双包层增益光纤的前方，用于将准直后的泵浦光进行聚焦或/和将双包层增益光纤输出的激光进行准直；二向色镜位于第一透镜和第二透镜之间，用于透过泵浦光或/和将双包层增益光纤输出的锁模放大激光反射输出。

第二种实现方式中，光学耦合组件包括第一透镜、第二透镜、二向色镜和第三透镜；第一透镜位于半导体激光器泵浦源后方，用于将半导体激光器泵浦源发出的泵浦光进行准直；第二透镜位于双包层增益光纤的前方，用于将准直后的泵浦光进行聚焦或/和将双包层增益光纤输出的激光进行准直；二向色镜位于第一透镜和第二透镜之间，用于透过泵浦光或/和将双包层增益光纤产生的激光或者经掺铁硒化锌可饱合吸收镜锁后的激光反射；第三透镜位于二向色镜与掺铁硒化锌可饱合吸收镜之间，用于将二向色镜反射的激光聚焦或/和将掺铁硒化锌可饱合吸收镜反射的锁模激光准直。

上述锁模光纤激光器，双包层增益光纤为掺Er³⁺或Ho³⁺的ZBLAN光纤(氟化物光纤)，双包层增益光纤一端垂直切割得到垂直截面，利用垂直的界面菲涅尔反射，将垂直截面作为输出镜；双包层增益光纤的另一端面采用斜切方式得到与垂直方向呈6～8°的斜切面，以消除菲涅尔反射对整个锁模光纤激光器稳定性可能产生的影响。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、由于本实用新型掺铁硒化锌可饱和吸收镜以掺铁硒化锌薄膜为可饱和吸收体，同时掺铁硒化锌薄膜本身具有较高的损伤阈值，能够用于高功率激光器的研制，弥补了本领域缺少高损伤阈值可饱和吸收镜或可饱和吸收体的空缺；

2、由于本实用新型掺铁硒化锌可饱和吸收镜为三层结构由基底、高反射膜和掺铁硒化锌薄膜三层构成，且可以通过磁控溅射、脉冲激光沉积等常规设备制备得到，不仅得到的掺铁硒化锌可饱和吸收镜结构简单、可靠性高，而且制备工艺简单、生产成本低廉、适于批量生产，可在激光器技术领域推广；

3、由于本实用新型锁模光纤激光器采用掺铁硒化锌可饱和吸收镜对激光进行调制实现锁模，不仅可以获得超短脉冲，同时由于掺铁硒化锌具有较高的损伤阈值，可以提高高功率锁模光纤激光器的可靠性和稳定性；

4、由于本实用新型锁模光纤激光器双包层增益光纤输出端面与掺铁可饱和吸收镜之间构成谐振腔，可以使激光光强得到增益放大，从而获得皮秒乃至飞秒量级的超短脉冲；

5、由于本实用新型锁模光纤激光器产生的锁模激光由光纤输出，相较于传统的非光纤输出(例如半导体激光器)，减少了光的散射，可以有效提高激光器光束输出质量。

附图说明

图1为本实用新型提供的掺铁硒化锌可饱和吸收镜的结构示意图。

图2为本实用新型提供的一个实施例的锁模光纤激光器的结构示意图。

图3为图2中A部分的放大图。

图4为本实用新型提供的另一实施例的锁模光纤激光器的结构示意图。

图5为图4中B部分的放大图。

其中，1-半导体激光器泵浦源，2-第一透镜，3-二向色镜，4-第二透镜，5-双包层增益光纤，6-垂直截面，7-斜切面，8-掺铁硒化锌可饱和吸收镜，9-第三透镜。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本实用新型所保护的范围。

以下实施例1-4中所使用的飞秒激光器为掺钛蓝宝石飞秒激光器，其中心波长为800nm，脉冲宽度为45fs，脉冲重复频率为1kHz。

实施例1

本实施例以石英玻璃为基底，采用激光脉冲沉积方法(PLD)制备掺铁硒化锌可饱和吸收镜，包括如下步骤：将基底和金靶分别放入PLD(Pulsed laser deposition，脉冲激光镀膜系统)腔体内的基底托和靶材托上，对腔体抽真空至不大于1×10^-4Pa，然后使腔体内基底托的温度升高至400℃，打开飞秒激光器，在峰值功率为2×10¹⁰W的激光作用下，在基底上沉积40分钟，得到厚度为300nm的金膜；然后随炉冷却至室温，将金靶替换为Fe²⁺浓度为1×10¹⁷cm^-3的掺铁硒化锌晶体靶材，再对腔体抽真空至不大于1×10^-4Pa，然后使腔体内基底托的温度升高至400℃，打开飞秒激光器，在峰值功率为2×10¹⁰W的激光作用下，在基底上沉积10分钟，得到厚度为50nm的掺铁硒化锌薄膜，之后随炉冷却至室温即可。

实施例2

本实施例以氟化钙晶体基片为基底，采用激光脉冲沉积方法(PLD)制备掺铁硒化锌可饱和吸收镜，包括如下步骤：将基底和银靶分别放入PLD(Pulsed laser deposition，脉冲激光镀膜系统)腔体内的基底托和靶材托上，对腔体抽真空至不大于1×10^-4Pa，然后使腔体内基底托的温度升高至600℃，打开飞秒激光器，在峰值功率为4×10¹⁰W的激光作用下，在基底上沉积25分钟，得到厚度为400nm的银膜；然后随炉冷却至室温，将银靶替换为Fe²⁺浓度为1×10¹⁸cm^-3掺铁硒化锌晶体靶材，再对腔体抽真空至不大于1×10^-4Pa，然后使腔体内基底托的温度升高至400℃，打开飞秒激光器，在峰值功率为4×10¹⁰W的激光作用下，在基底上沉积15分钟，得到厚度为200nm的掺铁硒化锌薄膜，之后随炉冷却至室温即可。

实施例3

本实施例以碳化硅晶体基片为基底，采用激光脉冲沉积方法(PLD)制备掺铁硒化锌可饱和吸收镜，步骤如下：将基底和金靶分别放入PLD(Pulsed laser deposition，脉冲激光镀膜系统)腔体内的基底托和靶材托上，对腔体抽真空至不大于1×10^-4Pa，然后使腔体内基底托的温度升高至800℃，打开飞秒激光器，在峰值功率为4×10¹⁰W的激光作用下，在基底上沉积25分钟，得到厚度为400nm的金膜；然后随炉冷却至室温，将金靶替换为Fe²⁺浓度为1×10¹⁹cm^-3的掺铁硒化锌晶体靶材，再对腔体抽真空至不大于1×10^-4Pa，然后使腔体内基底托的温度升高至800℃，打开飞秒激光器，在峰值功率为4×10¹⁰W的激光作用下，在基底上沉积70分钟，得到厚度为3μm的掺铁硒化锌薄膜，之后随炉冷却至室温即可。

实施例4

本实施例以石英光纤为基底，采用激光脉冲沉积方法(PLD)制备掺铁硒化锌可饱和吸收镜，步骤如下：将基底和银靶分别放入PLD(Pulsed laser deposition，脉冲激光镀膜系统)腔体内的基底托和靶材托上，对腔体抽真空至不大于1×10^-4Pa，然后使腔体内基底托的温度升高至400℃，打开飞秒激光器，在峰值功率为3×10¹⁰W的激光作用下，在基底上沉积40分钟，得到厚度为500nm的银膜；然后随炉冷却至室温，将银靶替换为Fe²⁺浓度为1×10¹⁷cm^-3的掺铁硒化锌晶体靶材，再对腔体抽真空至不大于1×10^-4Pa，然后使腔体内基底托的温度升高至400℃，打开飞秒激光器，在峰值功率为3×10¹⁰W的激光作用下，在基底上沉50分钟，得到厚度为600nm的掺铁硒化锌薄膜，之后随炉冷却至室温即可。

实施例1至实施例4制备得到的掺铁硒化锌可饱和吸收镜结构如图1所示，其构成包括基底a、镀在所述基底上的高反射膜b以及镀在所述高反射膜上的掺铁硒化锌薄膜c，其工作原理是，将其作为激光器的一个提供损耗调制的高反射镜；当产生的激光被该掺铁硒化锌可饱和吸收镜反射时，激光可被掺铁硒化锌可饱和吸收镜吸收光强弱的激光反射光强强的激光从而完成对激光的调制实现锁模；此外，这种掺铁硒化锌可饱和吸收镜具有高损伤阈值，可用于作为高功率激光系统中脉冲激光产生的关键器件。

实施例5

本实施例提供了一种锁模光纤激光器，如图2及图3所示，该锁模光纤激光器包括半导体激光器泵浦源1、光学耦合组件、双包层增益光纤5和实施例2制备的掺铁硒化锌可饱和吸收镜8，光学耦合组件由第一透镜2、第二透镜4和二向色镜3构成，半导体激光器泵浦源1、第一透镜2、二向色镜3、第二透镜4、双包层增益光纤5和掺铁硒化锌可饱和吸收镜8依次排列；双包层增益光纤5一端为垂直截面6，另一端为与垂直面呈θ＝8°的斜切面7，半导体激光器泵浦源1的泵浦光出射端位于第一透镜2的焦点处，双包层增益光纤5的垂直截面6位于第二透镜4的焦点处，双包层增益光纤5的垂直截面6与掺铁硒化锌可饱和吸收镜8构成激光谐振腔。

该锁模光纤激光器的工作原理为：由半导体激光器泵浦源1产生的泵浦光，经第一透镜2准直、穿过二向色镜3和经第二透镜4聚焦后耦合进入双包层增益光纤5产生激光，产生的激光在上述激光谐振腔内谐振放大，谐振放大产生的激光经掺铁硒化锌可饱和吸收镜8反射并调制而实现锁模，锁模后的激光经原光路返回双包层增益光纤5进行放大，经放大后的激光通过双包层增益激光5输出后由第二透镜4准直并经二向色镜3反射输出。

实施例6

本实施例提供了另外一种锁模光纤激光器，如图4及图5所示，该锁模光纤激光器包括半导体激光器泵浦源1、光学耦合组件、双包层增益光纤5和实施例4制备的掺铁硒化锌可饱和吸收镜8，光学耦合组件由第一透镜2、第二透镜4、第三透镜9和二向色镜3构成，半导体激光器泵浦源1、第一透镜2、二向色镜3、第二透镜4和双包层增益光纤5依次排列，第三透镜9位于二向色镜3的出射光路上，掺铁硒化锌可饱和吸收镜8位于第三透镜9的焦点处；双包层增益光纤5一端为垂直截面6，另一端为与垂直面呈θ＝6°的斜切面7，双包层增益光纤5的斜切面7位于第二透镜5的焦点处，半导体激光器泵浦源1的泵浦光出射端位于第一透镜2的焦点处，双包层增益光纤5的垂直截面6与掺铁硒化锌可饱和吸收镜8构成激光谐振腔。

该锁模光纤激光器的工作原理为：由半导体激光器泵浦源1产生的泵浦光经第一透镜2准直、穿过二向色镜3和经第二透镜4聚焦后耦合进入双包层增益光纤5产生激光，产生的激光在上述激光谐振腔内谐振放大，由于垂直截面8的菲涅尔反射作用，谐振放大产生的激光原路返回，由第二透镜4准直并经二向色镜3反射、再由第三透镜9聚焦到掺铁硒化锌可饱和吸收镜8，由掺铁硒化锌可饱和吸收镜8反射并调制而实现锁模，锁模后的激光经原光路返回双包层增益光纤5进行放大，经放大后的激光通过双包层增益激光5的垂直截面6输出。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种掺铁硒化锌可饱和吸收镜，其特征在于构成包括基底、镀在所述基底上的高反射膜以及镀在所述高反射膜上的掺铁硒化锌薄膜。

2.根据权利要求1所述掺铁硒化锌可饱和吸收镜，其特征在于所述基底材料为石英、氟化钙和碳化硅中的一种；所述高反射膜为金膜或银膜。

3.根据权利要求1或2所述掺铁硒化锌可饱和吸收镜，其特征在于所述掺铁硒化锌薄膜厚度不大于5μm。

4.一种锁模光纤激光器，其特征在于包括对应设置的半导体激光器泵浦源、光学耦合组件、双包层增益光纤和权利要求1至3任一所述掺铁硒化锌可饱和吸收镜，所述双包层增益光纤一端为垂直截面，另一端为斜切面，双包层增益光纤的垂直截面与掺铁硒化锌可饱和吸收镜构成激光谐振腔，由半导体激光器泵浦源产生的泵浦光经光学耦合组件准直聚焦后进入双包层增益光纤产生激光，产生的激光在所述激光谐振腔内谐振放大后经掺铁硒化锌可饱和吸收镜反射并调制锁模，锁模后的激光再次进入双包层增益光纤进行放大输出。

5.根据权利要求4所述锁模光纤激光器，其特征在于所述光学耦合组件包括第一透镜、第二透镜和二向色镜；第一透镜位于半导体激光器泵浦源后方，用于将半导体激光器泵浦源发出的泵浦光进行准直；第二透镜位于双包层增益光纤的前方，用于将准直后的泵浦光进行聚焦或/和将双包层增益光纤输出的激光进行准直；二向色镜位于第一透镜和第二透镜之间，用于透过泵浦光或/和将双包层增益光纤输出的锁模放大激光反射输出。

6.根据权利要求4所述锁模光纤激光器，其特征在于所述光学耦合组件包括第一透镜、第二透镜、二向色镜和第三透镜；第一透镜位于半导体激光器泵浦源后方，用于将半导体激光器泵浦源发出的泵浦光进行准直；第二透镜位于双包层增益光纤的前方，用于将准直后的泵浦光进行聚焦或/和将双包层增益光纤输出的激光进行准直；二向色镜位于第一透镜和第二透镜之间，用于透过泵浦光或/和将双包层增益光纤产生的激光或者经掺铁硒化锌可饱合吸收镜锁后的激光反射；第三透镜位于二向色镜与掺铁硒化锌可饱合吸收镜之间，用于将二向色镜反射的激光聚焦或/和将掺铁硒化锌可饱合吸收镜反射的锁模激光准直。

7.根据权利要求4所述锁模光纤激光器，其特征在于所述双包层增益光纤的斜切面为与垂直方向呈6～8°的斜切面。

8.根据权利要求5所述锁模光纤激光器，其特征在于所述双包层增益光纤的斜切面为与垂直方向呈6～8°的斜切面。

9.根据权利要求6所述锁模光纤激光器，其特征在于所述双包层增益光纤的斜切面为与垂直方向呈6～8°的斜切面。