專利名稱:中紅外飛秒鎖模激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及中紅外固體激光器,特別是一種中紅外飛秒鎖模激光器。
背景技術(shù):
得益于上世紀(jì)80年代鈦寶石等激光材料和鎖模技術(shù)的發(fā)展,目前0.8-1.0 μπι 波段的超快激光產(chǎn)生技術(shù)非常成熟,這一波段的商業(yè)化產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。然而,隨著物理學(xué)的不斷發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)很多超快激光與物質(zhì)相互作用過程與激光波長(zhǎng)密切相關(guān),因此不斷拓寬超快激光的波長(zhǎng)覆蓋范圍成為當(dāng)今一個(gè)新的挑戰(zhàn)。2-3微米近中紅外激光波段毗鄰目前鎖模激光技術(shù)最為成熟的ι μ m波段,該波段超快激光在時(shí)間分辨分子光譜學(xué)、光參量啁啾脈沖放大(OPCPA)、多光子顯微鏡,半導(dǎo)體材料微加工等領(lǐng)域都有著非常重要的潛在應(yīng)用。 但受2-3 μ m波段的鎖模技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)的制約,2-3 μ m波段激光器鎖模目前還存在很多問題,一方面,由于2-3um激光增益介質(zhì)較低的發(fā)射截面,不僅使得諧振腔對(duì)于調(diào)整精度非常敏感,而且也大大增加了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鎖模輸出激光功率閾值;另一方面,雖然在近紅外波段用于鎖模的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)技術(shù)非常成熟,早已應(yīng)用到商業(yè)化激光器中,但在中紅外波段,用于固體鎖模激光器的SESAM仍存在不少問題,同時(shí)SESAM較高的飽和能流要求也加大了在2um波段實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鎖模的難度。而石墨烯材料由于自身零帶隙的特點(diǎn),在從可見光到遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)都可以作為可飽和吸收材料實(shí)現(xiàn)激光鎖模輸出,近年來石墨烯在Ium和1. 5um光譜區(qū)的鎖模實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了石墨烯在寬光譜范圍內(nèi)作為鎖模器件的可行性,同時(shí)由于CVD生長(zhǎng)的大面積石墨烯相對(duì)于SESAM制作及成本上的優(yōu)勢(shì)使之成為中紅外區(qū)域一種非常有吸引力的潛在鎖模元件。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種中紅外飛秒鎖模激光器, 將CVD方法生長(zhǎng)的大面積石墨烯轉(zhuǎn)移到激光全反鏡上作為鎖模元件,在激光二極管(簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)D)泵浦條件下利用摻銩鈣鋰鈮鎵石榴石晶體(Tm =CLNGG晶體)在2um波段實(shí)現(xiàn)飛秒激光鎖模輸出。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種中紅外飛秒鎖模激光器,特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括激光二極管、準(zhǔn)直鏡、聚焦鏡、輸入球面鏡、激光介質(zhì)、球面高反鏡、球面高反聚焦鏡、石墨烯鎖模元件、色散補(bǔ)償棱鏡對(duì)、狹縫、 輸出耦合鏡,各元件的連接關(guān)系是沿所述的激光二極管輸出的泵浦光束方向依次是所述的準(zhǔn)直鏡、聚焦鏡、輸入球面鏡、激光介質(zhì)、球面高反鏡,在所述的輸入球面鏡、球面高反鏡、 球面高反聚焦鏡、輸出耦合鏡和石墨烯鎖模元件構(gòu)成的激光諧振腔中的激光經(jīng)所述的輸入球面鏡反射到所述的球面高反聚焦鏡上,激光經(jīng)過球面高反聚焦鏡聚焦到石墨烯鎖模元件后沿原路返回,依次再經(jīng)過球面高反聚焦鏡、輸入球面鏡、激光晶體、球面高反鏡,由該球面高反鏡偏轉(zhuǎn)反射到色散補(bǔ)償棱鏡對(duì),經(jīng)所述的色散補(bǔ)償棱鏡對(duì)色散補(bǔ)償后,經(jīng)所述的狹縫選模從輸出耦合鏡輸出。
所述的激光介質(zhì)是摻銩激光晶體、摻鈥的激光晶體、其他中紅外激光陶瓷、或激光玻璃制成的。所述的石墨烯鎖模元件是采用CVD方法生長(zhǎng)的石墨烯轉(zhuǎn)移到對(duì)于激光波長(zhǎng)的高反射鏡上,所述的高反射鏡是介質(zhì)鏡或金屬鏡。轉(zhuǎn)移過程首先是在生長(zhǎng)有石墨烯的銅箔涂覆一層聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),然后利用FeCl3等溶液將銅箔溶解,溶解完成后將剩下的附有石墨烯的PMMA用去離子水清洗干凈并轉(zhuǎn)移到激光高反鏡片上,最后用丙酮去除掉 PMMA,這樣就只剩下石墨烯附著在鏡片上。所述的石墨烯鎖模元件在激光器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)通過外置充氣裝置不斷向高反射鏡面通惰性氣體以達(dá)到隔絕空氣進(jìn)行保護(hù)的目的。所述的色散補(bǔ)償棱鏡對(duì)是由CaF2、中紅外石英或S^e制成的。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果是
(1)成功實(shí)現(xiàn)了中紅外波段鎖模激光器穩(wěn)定的連續(xù)飛秒激光脈沖輸出。(2)利用石墨烯可飽和吸收鏡在2um波段實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定激光鎖模輸出,證實(shí)了石墨烯在此波段內(nèi)作為鎖模元件的有效性。(3) CVD生長(zhǎng)的大面積石墨烯可飽和吸收鏡不僅制作相對(duì)簡(jiǎn)單,成本低廉,而且石墨烯相對(duì)SESAM較低的飽和能流使得在相同條件下激光器更容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)鎖模。(4)利用商業(yè)化的激光二極管(Laser Diode)作為泵浦源,避免了鈦寶石激光器作為泵浦源帶來的2um波段鎖模激光器泵浦系統(tǒng)價(jià)格昂貴、體積龐大等問題。
圖1是本發(fā)明中紅外飛秒鎖模激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明,但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。請(qǐng)參閱圖1,圖1是本發(fā)明中紅外飛秒鎖模激光器,如圖所示,激光二極管1發(fā)出的泵浦光由準(zhǔn)直鏡2和聚焦鏡3準(zhǔn)直聚焦后,經(jīng)過輸入球面鏡4聚焦到摻銩鈣鋰鈮鎵石榴石晶體(Tm:CLNGG5)內(nèi),引起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并在激光諧振腔內(nèi)形成激光振蕩。激光諧振腔中的激光經(jīng)輸入球面鏡4反射到所述的球面高反聚焦鏡7上,激光經(jīng)過球面高反聚焦鏡7聚焦到石墨烯鎖模元件8后沿原路返回,依次再經(jīng)過球面高反聚焦鏡7、輸入球面鏡4、激光晶體 5、球面高反鏡6,由該球面高反鏡6偏轉(zhuǎn)反射到CaF2色散補(bǔ)償棱鏡對(duì)9,經(jīng)CaF2色散補(bǔ)償棱鏡對(duì)9色散補(bǔ)償后,通過狹縫10選模入射到耦合輸出鏡11上,由耦合輸出鏡11輸出飛秒鎖模激光脈沖序列。此外,在整個(gè)激光諧振腔結(jié)構(gòu)不變的情況下,把摻銩鈣鋰鈮鎵石榴石晶體 (Tm CLNGG5 )換成其他激光介質(zhì),如摻銩乙鋁石榴石(Tm YAG)激光陶瓷或摻銩激光玻璃,可實(shí)現(xiàn)同樣效果。
權(quán)利要求
1.一種中紅外飛秒鎖模激光器,特征在于其構(gòu)成包括激光二極管(1)、準(zhǔn)直鏡(2)、聚焦鏡(3)、輸入球面鏡(4)、激光介質(zhì)(5)、球面高反鏡(6)、球面高反聚焦鏡(7)、石墨烯鎖模元件(8)、色散補(bǔ)償棱鏡對(duì)(9)、狹縫(10)、輸出耦合鏡(11),各元件的連接關(guān)系是沿所述的激光二極管(1)輸出的泵浦光束方向依次是所述的準(zhǔn)直鏡(2)、聚焦鏡(3)、輸入球面鏡 (4)、激光介質(zhì)(5)、球面高反鏡(6),在所述的輸入球面鏡(4)、球面高反鏡(6)、球面高反聚焦鏡(7)、輸出耦合鏡(11)和石墨烯鎖模元件(8)構(gòu)成的激光諧振腔中的激光經(jīng)所述的輸入球面鏡(4)反射到所述的球面高反聚焦鏡(7)上,激光經(jīng)過球面高反聚焦鏡(7)聚焦到石墨烯鎖模元件(8)后沿原路返回,依次再經(jīng)過球面高反聚焦鏡(7)、輸入球面鏡(4)、激光晶體(5)、球面高反鏡(6),由該球面高反鏡(6)偏轉(zhuǎn)反射到色散補(bǔ)償棱鏡對(duì)(9),經(jīng)所述的色散補(bǔ)償棱鏡對(duì)(9 )色散補(bǔ)償后,經(jīng)所述的狹縫(10 )選模從輸出耦合鏡(11)輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中紅外飛秒鎖模激光器,其特征在于所述的激光介質(zhì)(5)是摻銩激光晶體、摻鈥的激光晶體、其他中紅外激光陶瓷、或激光玻璃制成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中紅外飛秒鎖模激光器,其特征在于所述的石墨烯鎖模元件 (8)是采用CVD方法生長(zhǎng)的石墨烯轉(zhuǎn)移到對(duì)于激光波長(zhǎng)的高反射鏡上,所述的高反射鏡是介質(zhì)鏡或金屬鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中紅外飛秒鎖模激光器,其特征在于所述的石墨烯鎖模元件(8)在激光器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有惰性氣體保護(hù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中紅外飛秒鎖模激光器,其特征在于所述的色散補(bǔ)償棱鏡對(duì)(9)是由CaF2、中紅外石英或制成的。
全文摘要
一種中紅外飛秒鎖模激光器,包括沿激光二極管輸出的泵浦光束方向依次設(shè)置的準(zhǔn)直鏡、聚焦鏡、輸入球面鏡、激光介質(zhì)、球面高反鏡,在輸入球面鏡、球面高反鏡、球面高反聚焦鏡、輸出耦合鏡和石墨烯鎖模元件構(gòu)成的五鏡激光諧振腔中的激光經(jīng)輸入球面鏡反射到球面高反聚焦鏡上后聚焦到石墨烯鎖模元件,然后沿原路返回,依次再經(jīng)過球面高反聚焦鏡、輸入球面鏡、激光晶體、球面高反鏡,并由球面高反鏡偏轉(zhuǎn)反射到色散補(bǔ)償棱鏡對(duì),通過狹縫從輸出耦合鏡輸出。本發(fā)明采用CVD方法生長(zhǎng)的石墨烯轉(zhuǎn)移到對(duì)于激光波長(zhǎng)的高反射鏡上,利用惰性氣體保護(hù),在中紅外波段實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模激光脈沖輸出,激光器調(diào)整簡(jiǎn)單、制備廉價(jià),容易實(shí)現(xiàn)單層(非飽和損耗小)。
文檔編號(hào)H01S3/0941GK102570270SQ201210018530
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月20日
發(fā)明者呂鵬, 謝國(guó)強(qiáng), 錢列加, 馬杰, 高文蘭 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)