CN211700922U

CN211700922U - 基于二维材料异质结和主动调制开关双调制的锁模激光器

Info

Publication number: CN211700922U
Application number: CN202020305964.8U
Authority: CN
Inventors: 唐文婧; 孙旺根; 李星宇; 夏伟; 蒋锴
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2020-02-29
Filing date: 2020-02-29
Publication date: 2020-10-16
Anticipated expiration: 2030-02-28

Abstract

本实用新型提供了一种基于二维材料异质结和主动调制开关双调制的锁模激光器。其包括：泵浦源、传能光纤、耦合透镜组、激光增益介质、调制开关、偏振片、二维材料异质结、输入镜、全反镜和输出镜，输入镜、全反镜和输出镜构成激光谐振腔，激光增益介质、调制开关及偏振片位于激光谐振腔内；由泵浦源输出的泵浦光经传能光纤进入耦合透镜组耦合，然后经输入镜到激光增益介质进行泵浦；激光经过增益介质的放大后通过经主动调制开关、偏振片进行一次调制；一次调制后的激光经全反镜反射通过二维材料异质结进行二次调制后从输出镜输出。

Description

基于二维材料异质结和主动调制开关双调制的锁模激光器

技术领域

本实用新型涉及一种基于二维材料异质结和主动调制开关双调制的锁模激光器，属于激光技术领域。

背景技术

中红外波段的激光因其独特的优势被人们广泛关注。作为人眼安全窗口，中红外波段的电磁波不会对眼睛造成不可恢复的损伤。此外，由于多种大气成分的特征吸收光谱均与2μm 波段的激光相对应，故其在环境监测和空间通信等领域具有广泛的应用。在医疗领域，中红外波段激光更加适合进行健康检查或者小损伤及高精度的外科手术，甚至可以在不损伤正常细胞的前提下仅仅消灭癌细胞。在科研领域，中红外波段的激光也有着重要的应用价值。利用中红外超快激光脉冲与物质相互作用，可获得更高能量的紫外乃至X射线波段光子。此外，中红外波段的超快激光已成为非线性激光雷达、军事对抗技术的前沿热点，具有极高的军事价值。因此，对中红外波段激光及激光器件的研究对于国家安全和国民经济建设具有十分重要的意义。

“更高、更快、更强”一直是人类社会追求的目标，在激光领域也是如此。对于中红外波段的激光来讲，更高的峰值功率和更短的脉宽是国内外研究人员共同追求的目标。而制约激光特性的因素主要有两个方面，一是激光技术的运用，二是核心材料和元件的选择。在激光技术方面，相比于主动锁模技术，基于可饱和吸收体的被动锁模技术可以产生更短的脉宽，且激光器整体更加简单、紧凑。但是，单纯依赖可饱和吸收体调制锁模的激光脉冲大多具有超高的重复频率，这从某些程度上限制了脉冲峰值功率的提高。如何能够在获得锁模级脉冲宽度的同时降低脉冲的重复频率，提高脉冲峰值功率是目前全固态激光领域急需解决的问题之一。

此外，到目前为止，中红外波段应用最多的可饱和吸收调制材料依然是SESAM。但是， SESAM的使用却有极大的局限性，对1.9μm以上波段的激光，无法精确地控制其饱和通量、恢复时间等参数，也无法实现宽带调制。此外，制备SESAM技术复杂、费用极高。相比于SESAM，近几年广泛应用的二维材料可饱和吸收体，包括石墨烯(Graphene)、过渡金属硫化物(TMDCs)、拓扑绝缘体(TIs)和黑磷(BP)等，因为具有制作简单，成本低，且光谱范围宽，可饱和吸收特性好等优点被研究人员高度重视。但是，几乎所有的单层或者少层二维材料可饱和吸收体都存在易氧化，抗损伤能力低等问题。如何寻找一种更加适合的可饱和吸收体成为中红外激光领域急需解决的问题之一。

目前，单独应用二维材料调制的全固态激光器的报道中，能够实现稳定的锁模脉冲输出的报道还很少见，大多数的文献报道是采用二维材料进行调Q脉冲调制，在泵浦功率8W左右时单个调Q包络的脉冲能量约在1μJ(典型值)“Several nanosecond Nd：YVO4lasers Q-switched by two dimensional materials：tungsten disulfide，molybdenumdisulfide，and black phosphorous，”Opt.Express 25，6244(2017)”。二维材料异质结的应用，成功实现了基于二维材料的全固态锁模脉冲输出，2015年，赵刚等人利用Graphene/MoS2异质结作为可饱和吸收体，成功实现了重频为1GHz的稳定皮秒级超短脉冲输出“Preparation of 2D MoS2/Graphene Heterostructure through a MonolayerIntercalation Method and its Application as an Optical Modulator in PulsedLaser Generation，”Advanced Optical Materials，3(7)，937-942(2015)”。但他们获得的锁模脉冲的单脉冲能量仅为0.5nJ，峰值功率仅为3W左右。

实用新型内容

针对全固态激光领域现存的问题，本实用新型提供了一种基于二维材料异质结和主动调制开关双调制的锁模激光器。

本实用新型为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种基于二维材料异质结和主动调制开关双调制的锁模激光器，包括：泵浦源、传能光纤、耦合透镜组、激光增益介质、调制开关、偏振片、二维材料异质结、输入镜、全反镜和输出镜，输入镜、全反镜和输出镜构成激光谐振腔，激光增益介质、调制开关及偏振片位于激光谐振腔内；

由泵浦源输出的泵浦光经传能光纤进入耦合透镜组耦合，然后经输入镜到激光增益介质进行泵浦；

激光经过增益介质的放大后经主动调制开关、偏振片进行一次调制；

一次调制后的激光经全反镜反射通过二维材料异质结进行二次调制后从输出镜输出。

所述基于二维材料异质结和主动调制开关双调制的锁模激光器优选方案，激光增益介质选择近红外或中红外波段的激光晶体，晶体端镀泵浦光增透膜R≥99％，另一端镀有泵浦光和振荡激光增透膜，R≤0.1％。

所述基于二维材料异质结和主动调制开关双调制的锁模激光器优选方案，输入镜是平面镜，表面镀有泵浦光增透膜：R≤0.1％，以及振荡激光高反膜：R≥99％，输入镜厚度约为1～2mm，镀膜波长以所用的泵浦光的波长和振荡激光的波长为准。

所述基于二维材料异质结和主动调制开关双调制的锁模激光器优选方案，输出镜是平面镜镀有振荡激光部分透过膜，T＝1～20％，输出镜厚度约为1～2mm，镀膜波长以振荡激光的波长为准。

所述基于二维材料异质结和主动调制开关双调制的锁模激光器优选方案，全反镜为谐振腔的腔镜，包括第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜曲率半径分别为500mm 和150mm的凹面镜，均镀振荡激光的高反膜，R≥99％，腔镜厚度约为1～2mm，镀膜波长以振荡激光的波长为准。

所述基于二维材料异质结和主动调制开关双调制的锁模激光器优选方案，偏振片为λ/4 波片。

所述基于二维材料异质结和主动调制开关双调制的锁模激光器优选方案，调制开关为 BBO晶体或RTP晶体，双面镀有振荡激光的增透膜，驱动电压为3.8KV，频率为1-5kHZ。

本实用新型的优点在于：以二维材料异质结作为可饱和吸收材料，结合主动调制开关进行激光器可调频锁模脉冲调制。本实用新型作为可饱和吸收体的二维材料异质结可以满足从近红外到中红外波段均可适用的宽吸收谱特性，可以实现锁模脉冲调制，主动调制开关用来管理脉冲的重复频率，二者同时应用于一个激光谐振腔内，在泵浦功率下可以产生调Q锁模现象，随着泵浦功率增强，激光器输出的调Q锁模脉冲的调Q包络宽度显著压缩，当泵浦功率达到一定数值时，每个调Q包络中只剩下一个锁模脉冲，该脉冲的重复频率与调制开关的调制频率相同，且具备整个调Q包络的脉冲能量，峰值功率显著提升，最终实现脉冲频率由外部调制信号控制的高峰值功率锁模脉冲串输出。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。

图1为本实用新型提供的一种基于二维材料异质结及主动调制开关双调制的可调频锁模激光器示意图。

图2为二维材料异质结的制备示意图。

图3为二维材料异质结非线性透过率测量结果图。

图4为根据腔内光子数密度公式模拟出的不同泵浦功率下的脉冲波形图。

图5为基于本实用新型的锁模激光器平均输出功率、单脉冲能量、脉冲宽度和峰值功率随入射泵浦功率的变化关系。

图6为随着泵浦功率增大，可调频高峰值功率锁模脉冲的形成过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

正如背景技术所述现有对全固态激光领域现存的频率不可调问题，本实用新型采用以下方案：一种基于二维材料异质结和主动调制开关双调制的锁模激光器，包括：泵浦源1、传能光纤2、耦合透镜组3、激光增益介质5、偏振片7、调制开关6、二维材料异质结10、输入镜4、全反镜和输出镜11，输入镜4、全反镜和输出镜11构成激光谐振腔；

由泵浦源1输出的泵浦光经传能光纤2进入耦合透镜组3耦合，然后经输入镜4到激光增益介质5进行泵浦；

激光经过增益介质5的放大后通过经主动调制开关6、偏振片7进行一次调制；

一次调制后的激光经全反镜反射通过二维材料异质结10进行二次调制后从输出镜11输出。

本实用新型激光增益介质5选择近红外或中红外波段的激光晶体，晶体端镀泵浦光增透膜，另一端镀有泵浦光和振荡激光增透膜，R≤0.1％，镀膜波长以振荡激光的波长为准，镀膜参数为行业常规使用的参数即可。输入镜4是平面镜，表面镀有泵浦光增透膜：R≤0.1％，以及振荡激光高反膜：R≥99％，输入镜厚度约为1～2mm，镀膜波长以所用的泵浦光的波长和振荡激光的波长为准，不同波长的膜在同一镜面上无顺序要求。输出镜11是平面镜镀有振荡激光部分透过膜，T＝1～20％，输出镜厚度约为1～2mm，镀膜波长以所用的泵浦光的波长和振荡激光的波长为准，不同波长的膜在同一镜面上无顺序要求。全反镜为谐振腔的腔镜，包括第一反射镜8和第二反射镜9，第一反射镜8和第二反射镜9曲率半径分别为500mm和 150mm的凹面镜，均镀振荡激光的高反膜，R≥99％，腔镜厚度约为1～2mm，镀膜波长以振荡激光的波长为准。

二维材料异质结制备方法如下：

1)h-BN块状材料13放置于一个粘性衬底14上，采用高分子材料胶带12对h-BN表面进行粘贴然后撕离，获取少层的二维材料h-BN薄膜；

2)用聚二甲基硅氧烷PDMS附在步骤1)h-BN薄膜上进行撕离；

3)减少h-BN材料的厚度，将材料转移至PDMS16表面；

4)将粘附了少层h-BN薄膜15的聚二甲基硅氧烷PDMS附着在石英玻璃板17上，借助实验室的光学显微镜19，利用长焦镜头，将聚二甲基硅氧烷PDMS上的h-BN薄膜按压到少层BP薄膜18上，即获得二维材料异质结。

将步骤4)得到的二维材料异质结再次与二维材料h-BN进行堆叠即可得到双异质结薄膜。

下面以一个实验来验证本实用新型实施例提供的可调频锁模激光器的可行性，实验中 808nm泵浦源1最大输出功率为50W通过纤芯直径400μm的传能光纤2传输，透过耦合比例为 1∶0.8耦合镜组3耦合到激光增益介质5进行泵浦，本例中激光增益介质5选用Nd：Lu_0.15Y_0.85VO₄晶体，主动调制开关6和h-BN/BP样品材料实现双调制，1064nm振荡激光通过该调制作用，可由输出镜11输出激光脉冲。

根据激光器的光强起伏机制，采用高斯分布近似法，本专利给出了基于电光开关和h-BN/BP调制的高峰值功率锁模激光输出的理论计算公式。以高斯分布为前提，同时考虑腔内各个器件的插入损耗以及异质结可饱和吸收体的吸收损耗，可调频锁模激光器产生的锁模脉冲在激光谐振腔内k次往返后激光器的激光谐振腔内光子数密度

的相对振幅可表示为：

其中，ω_l是激光基模的平均光束半径；以光轴上的点为原点，r是径向坐标，t代表时间，σ是激光增益介质(5)晶体的发射截面；l代表激光增益介质(5)通光方向的长度，n(r，t_k) 是激光谐振腔内锁模脉冲往返k次后的反转粒子数密度值；ω_m、ω_SA和ω_EO分别代表了激光谐振腔内高斯光束在增益介质、激光谐振腔和调制开关(6)位置处的高斯光束半径，L代表了激光谐振腔内脉冲往返的传输损耗，δ_e代表了激光谐振腔内主动调制开关(6)对锁模脉冲的往返平均损耗；

对于往返k次可调频锁模激光器产生的的锁模脉冲，异质结h-BN/BP可饱和吸收体的对脉冲的吸收损耗

α_s和α_ns分别代表饱和吸收损耗和非饱和吸收损耗，I_sat代表了二维材料异质结薄膜的饱和光强，τ_p与腔内锁模脉冲的脉宽τ具有关系τ＝1.76τ_p。本实验中各个参数值如下I_sat＝1.27MW/cm²，σ＝8.7×10^- ¹⁹cm²，1＝10 mm，ω_EO＝121μm，α_s＝0.071，α_ns＝0.112，ω_SA＝96μm，ω_m＝300μm，ω_l＝166μm，δ_e＝0.1， L＝0.07，τ_p＝200ps。与单一的二维材料调制不同的是，此处要考虑组成异质结的两种或三种材料对光脉冲的共同吸收作用。通过对激光谐振腔内光子数密度相对振幅的理论模拟，可以得到不同参数下激光器进入可调频高峰值功率锁模脉冲运转的阈值条件，以该实例所用参数计算，可知在输入功率为3.36W时，调Q包络下其余的锁模脉冲均消失，激光器进入高峰值功率锁模运转状态，如图4所示。

图5(a)展示了本实用新型实施例的平均输出功率及平均单脉冲能量随泵浦功率的变化关系，从图中可以看出，调制频率为1kHz时，三种不同透过率输出镜下得到的平均输出功率、平均单脉冲能量均随着泵浦功率的增加而增加。当泵浦功率达到8W时，单个调Q包络的脉冲能量接近500μJ，而这一能量均集中到包络中唯一振荡的锁模脉冲中。

图5(b)和图5(c)分别展示了可调频锁模激光器的脉冲宽度和峰值功率随入射泵浦功率的变化关系。从图5(b)可以看出在泵浦功率大于3W时，激光器就已经实现了锁模状态运转，脉冲宽度为ps量级，当泵浦功率为8W时，最窄脉冲宽度约为120ps。此时可从图5(c)看出，泵浦功率为8W时，脉冲的峰值功率可达1.1MW。相比于其他方式获得的连续锁模激光器，该双调制锁模激光器的单脉冲能量和峰值功率均得到上百倍的提升。

图6给出了激光器在低功率泵浦时的调Q锁模装态以及随着泵浦功率提高，调Q包络宽度压缩，最终包络消失，锁模脉冲振荡输出的实现过程。

通过实验获得的皮秒级锁模脉冲的脉冲能量和峰值功率均相比背景技术脉冲能量和峰值功率得到了显著的提升。

综上所述，本实用新型实施例提供了一种二维材料异质结和主动调制开关双调制的可调频高峰值功率锁模激光器的设计方案，实现锁模脉冲峰值功率的进一步提高，另外由于二维材料异质结的宽带可饱和吸收特性，该实用新型可适用于近红外到中红外波段。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于二维材料异质结和主动调制开关双调制的锁模激光器，其特征在于：包括：泵浦源(1)、传能光纤(2)、耦合透镜组(3)、激光增益介质(5)、主动调制开关(6)、偏振片(7)、二维材料异质结(10)、输入镜(4)、全反镜和输出镜(11)，输入镜(4)、全反镜和输出镜(11)构成激光谐振腔，激光增益介质(5)、调制开关(6)及偏振片(7)位于激光谐振腔内；

由泵浦源(1)输出的泵浦光经传能光纤(2)进入耦合透镜组(3)耦合，然后经输入镜(4)到激光增益介质(5)进行泵浦；

激光经过增益介质(5)的放大后通过经主动调制开关(6)、偏振片(7)进行一次调制；

一次调制后的激光经全反镜反射通过二维材料异质结(10)进行二次调制后从输出镜(11)输出。

2.根据权利要求1所述基于二维材料异质结和主动调制开关双调制的锁模激光器，其特征在于：激光增益介质(5)选择近红外或中红外波段的激光晶体，晶体端镀泵浦光增透膜R≥99％，另一端镀有泵浦光和振荡激光增透膜，R≤0.1％。

3.根据权利要求1所述基于二维材料异质结和主动调制开关双调制的锁模激光器，其特征在于：输入镜(4)是平面镜，表面镀有泵浦光增透膜：R≤0.1％，以及振荡激光高反膜：R≥99％，腔镜厚度约为1～2mm。

4.根据权利要求1所述基于二维材料异质结和主动调制开关双调制的锁模激光器，其特征在于：输出镜(11)是平面镜镀有振荡激光部分透过膜，透过率T＝1～20％，输出镜的厚度约为1～2mm。

5.根据权利要求1所述基于二维材料异质结和主动调制开关双调制的锁模激光器，其特征在于：全反镜为谐振腔的腔镜，包括第一反射镜(8)和第二反射镜(9)，第一反射镜(8)和第二反射镜(9)曲率半径分别为500mm和150mm的凹面镜，均镀振荡激光的高反膜，R≥99％，腔镜厚度约为1～2mm，镀膜波长以振荡激光的波长为准。

6.根据权利要求1所述基于二维材料异质结和主动调制开关双调制的锁模激光器，其特征在于：偏振片为λ/4波片。

7.根据权利要求1所述基于二维材料异质结和主动调制开关双调制的锁模激光器，其特征在于：调制开关(6)为BBO晶体或RTP晶体，双面镀有增透膜，驱动电压为3.8KV，频率为1-5kHZ。