中紅外飛秒鎖模雷射器的製作方法

2023-04-23 12:05:01 2

專利名稱：中紅外飛秒鎖模雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及中紅外固體雷射器，特別是一種中紅外飛秒鎖模雷射器。
背景技術：
得益於上世紀80年代鈦寶石等雷射材料和鎖模技術的發展，目前0.8-1.0 μπι 波段的超快雷射產生技術非常成熟，這一波段的商業化產品不斷湧現。然而，隨著物理學的不斷發展，人們發現很多超快雷射與物質相互作用過程與雷射波長密切相關，因此不斷拓寬超快雷射的波長覆蓋範圍成為當今一個新的挑戰。2-3微米近中紅外雷射波段毗鄰目前鎖模雷射技術最為成熟的ι μ m波段，該波段超快雷射在時間分辨分子光譜學、光參量啁啾脈衝放大(OPCPA)、多光子顯微鏡，半導體材料微加工等領域都有著非常重要的潛在應用。 但受2-3 μ m波段的鎖模技術與檢測技術的制約，2-3 μ m波段雷射器鎖模目前還存在很多問題，一方面，由於2-3um雷射增益介質較低的發射截面，不僅使得諧振腔對於調整精度非常敏感，而且也大大增加了實現穩定鎖模輸出雷射功率閾值；另一方面，雖然在近紅外波段用於鎖模的半導體可飽和吸收鏡(SESAM)技術非常成熟，早已應用到商業化雷射器中，但在中紅外波段，用於固體鎖模雷射器的SESAM仍存在不少問題，同時SESAM較高的飽和能流要求也加大了在2um波段實現穩定鎖模的難度。而石墨烯材料由於自身零帶隙的特點，在從可見光到遠紅外波長範圍內都可以作為可飽和吸收材料實現雷射鎖模輸出，近年來石墨烯在Ium和1. 5um光譜區的鎖模實驗結果也驗證了石墨烯在寬光譜範圍內作為鎖模器件的可行性，同時由於CVD生長的大面積石墨烯相對於SESAM製作及成本上的優勢使之成為中紅外區域一種非常有吸引力的潛在鎖模元件。

發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提供一種中紅外飛秒鎖模雷射器， 將CVD方法生長的大面積石墨烯轉移到雷射全反鏡上作為鎖模元件，在雷射二極體(簡稱為LD)泵浦條件下利用摻銩鈣鋰鈮鎵石榴石晶體(Tm =CLNGG晶體)在2um波段實現飛秒雷射鎖模輸出。本發明的技術解決方案如下
一種中紅外飛秒鎖模雷射器，特點在於其構成包括雷射二極體、準直鏡、聚焦鏡、輸入球面鏡、雷射介質、球面高反鏡、球面高反聚焦鏡、石墨烯鎖模元件、色散補償稜鏡對、狹縫、 輸出耦合鏡，各元件的連接關係是沿所述的雷射二極體輸出的泵浦光束方向依次是所述的準直鏡、聚焦鏡、輸入球面鏡、雷射介質、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成的雷射諧振腔中的雷射經所述的輸入球面鏡反射到所述的球面高反聚焦鏡上，雷射經過球面高反聚焦鏡聚焦到石墨烯鎖模元件後沿原路返回，依次再經過球面高反聚焦鏡、輸入球面鏡、雷射晶體、球面高反鏡，由該球面高反鏡偏轉反射到色散補償稜鏡對，經所述的色散補償稜鏡對色散補償後，經所述的狹縫選模從輸出耦合鏡輸出。
所述的雷射介質是摻銩雷射晶體、摻鈥的雷射晶體、其他中紅外雷射陶瓷、或雷射玻璃製成的。所述的石墨烯鎖模元件是採用CVD方法生長的石墨烯轉移到對於雷射波長的高反射鏡上，所述的高反射鏡是介質鏡或金屬鏡。轉移過程首先是在生長有石墨烯的銅箔塗覆一層聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，然後利用FeCl3等溶液將銅箔溶解，溶解完成後將剩下的附有石墨烯的PMMA用去離子水清洗乾淨並轉移到雷射高反鏡片上，最後用丙酮去除掉 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雷射器運轉時通過外置充氣裝置不斷向高反射鏡面通惰性氣體以達到隔絕空氣進行保護的目的。所述的色散補償稜鏡對是由CaF2、中紅外石英或S^e製成的。與現有技術相比，本發明的有益效果是
(1)成功實現了中紅外波段鎖模雷射器穩定的連續飛秒雷射脈衝輸出。(2)利用石墨烯可飽和吸收鏡在2um波段實現穩定雷射鎖模輸出，證實了石墨烯在此波段內作為鎖模元件的有效性。(3) CVD生長的大面積石墨烯可飽和吸收鏡不僅製作相對簡單，成本低廉，而且石墨烯相對SESAM較低的飽和能流使得在相同條件下雷射器更容易實現穩定的連續鎖模。(4)利用商業化的雷射二極體(Laser Diode)作為泵浦源，避免了鈦寶石雷射器作為泵浦源帶來的2um波段鎖模雷射器泵浦系統價格昂貴、體積龐大等問題。


圖1是本發明中紅外飛秒鎖模雷射器的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。請參閱圖1，圖1是本發明中紅外飛秒鎖模雷射器，如圖所示，雷射二極體1發出的泵浦光由準直鏡2和聚焦鏡3準直聚焦後，經過輸入球面鏡4聚焦到摻銩鈣鋰鈮鎵石榴石晶體(Tm:CLNGG5)內，引起粒子數反轉並在雷射諧振腔內形成雷射振蕩。雷射諧振腔中的雷射經輸入球面鏡4反射到所述的球面高反聚焦鏡7上，雷射經過球面高反聚焦鏡7聚焦到石墨烯鎖模元件8後沿原路返回，依次再經過球面高反聚焦鏡7、輸入球面鏡4、雷射晶體 5、球面高反鏡6，由該球面高反鏡6偏轉反射到CaF2色散補償稜鏡對9，經CaF2色散補償稜鏡對9色散補償後，通過狹縫10選模入射到耦合輸出鏡11上，由耦合輸出鏡11輸出飛秒鎖模雷射脈衝序列。此外，在整個雷射諧振腔結構不變的情況下，把摻銩鈣鋰鈮鎵石榴石晶體 (Tm CLNGG5 )換成其他雷射介質，如摻銩乙鋁石榴石(Tm YAG)雷射陶瓷或摻銩雷射玻璃，可實現同樣效果。
權利要求
1.一種中紅外飛秒鎖模雷射器，特徵在於其構成包括雷射二極體(1)、準直鏡(2)、聚焦鏡(3)、輸入球面鏡(4)、雷射介質(5)、球面高反鏡(6)、球面高反聚焦鏡(7)、石墨烯鎖模元件(8)、色散補償稜鏡對(9)、狹縫(10)、輸出耦合鏡(11)，各元件的連接關係是沿所述的雷射二極體(1)輸出的泵浦光束方向依次是所述的準直鏡(2)、聚焦鏡(3)、輸入球面鏡 (4)、雷射介質(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)構成的雷射諧振腔中的雷射經所述的輸入球面鏡(4)反射到所述的球面高反聚焦鏡(7)上，雷射經過球面高反聚焦鏡(7)聚焦到石墨烯鎖模元件(8)後沿原路返回，依次再經過球面高反聚焦鏡(7)、輸入球面鏡(4)、雷射晶體(5)、球面高反鏡(6)，由該球面高反鏡(6)偏轉反射到色散補償稜鏡對(9)，經所述的色散補償稜鏡對(9 )色散補償後，經所述的狹縫(10 )選模從輸出耦合鏡(11)輸出。
2.根據權利要求1所述的中紅外飛秒鎖模雷射器，其特徵在於所述的雷射介質(5)是摻銩雷射晶體、摻鈥的雷射晶體、其他中紅外雷射陶瓷、或雷射玻璃製成的。
3.根據權利要求1所述的中紅外飛秒鎖模雷射器，其特徵在於所述的石墨烯鎖模元件 (8)是採用CVD方法生長的石墨烯轉移到對於雷射波長的高反射鏡上，所述的高反射鏡是介質鏡或金屬鏡。
4.根據權利要求1所述的中紅外飛秒鎖模雷射器，其特徵在於所述的石墨烯鎖模元件(8)在雷射器運轉時有惰性氣體保護。
5.根據權利要求1所述的中紅外飛秒鎖模雷射器，其特徵在於所述的色散補償稜鏡對(9)是由CaF2、中紅外石英或製成的。
全文摘要
一種中紅外飛秒鎖模雷射器，包括沿雷射二極體輸出的泵浦光束方向依次設置的準直鏡、聚焦鏡、輸入球面鏡、雷射介質、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成的五鏡雷射諧振腔中的雷射經輸入球面鏡反射到球面高反聚焦鏡上後聚焦到石墨烯鎖模元件，然後沿原路返回，依次再經過球面高反聚焦鏡、輸入球面鏡、雷射晶體、球面高反鏡，並由球面高反鏡偏轉反射到色散補償稜鏡對，通過狹縫從輸出耦合鏡輸出。本發明採用CVD方法生長的石墨烯轉移到對於雷射波長的高反射鏡上，利用惰性氣體保護，在中紅外波段實現穩定的鎖模雷射脈衝輸出，雷射器調整簡單、製備廉價，容易實現單層(非飽和損耗小)。
文檔編號H01S3/0941GK102570270SQ201210018530
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月20日 優先權日2012年1月20日
發明者呂鵬, 謝國強, 錢列加, 馬傑, 高文蘭 申請人:上海交通大學