CN116826504A - 一种基于超表面的3μm波段激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于超表面的3μm波段激光器，属于激光技术及非线性光学领域，包括半导体激光二极管泵浦源、耦合光纤、光聚焦耦合系统、激光增益介质、激光谐振腔、色散补偿元件和激光锁模器件；半导体激光二极管泵浦源、光聚焦耦合系统和激光谐振腔依次排列，激光谐振腔采用X型腔，包括3个输入镜、1个耦合输出镜和1个激光锁模器件，激光增益介质放置在激光谐振腔内；激光增益介质为Er³⁺:YAP晶体；色散补偿元件为CaF₂晶体；激光锁模器件为超表面可饱和吸收镜，在激光反射镜的激光腔面镀有超表面结构。本发明中半导体激光器直接泵浦的新型超快激光器具有小型化、效率高、稳定性高、成本低等优势。

Description

一种基于超表面的3μm波段激光器

技术领域

本发明涉及激光技术及非线性光学领域，具体涉及一种基于超表面的3μm波段激光器。

背景技术

3μm波段超快激光已在环境监测、国防安全、中红外光学频率梳、超连续谱、高光子能量高次谐波产生、生物医学等方面展现出应用价值，发挥着不可替代作用。该波段位于大气“透明窗口”，处在大部分军用探测器的工作波段，具有多种军事用途。在民用领域，可进行大分子有毒气体（如NH4）的远距离遥测，同时，3μm波段激光也成为外科手术刀、牙组织消融及角膜屈光矫正等激光仪器的理想光源。《Nature Photonics》期刊以Foucs Issue多次刊发中红外激光器件方面研究成果，大力推荐这一研究方向，主编指出：2-20μm中红外激光已经在光谱学、材料处理等领域发挥重要作用，同时中红外激光的发展将进一步拓宽其应用领域，极有可能带来难以预见的科学发现。因此，如何实现3μm波段超快激光的高功率运转对国防安全、民用及前沿基础科学研究等领域都有着极为重要的现实意义。

目前，获得3μm波段超快激光的技术主要有以下三大类，第一类是通过非线性频率变换技术，将成熟的1μm波段超快激光变频到3μm波段，主要包括光参量振荡和差频技术。但超快非线性频率变换所需要的同步泵浦系统过于庞大，成本高，其稳定性也有待进一步提高，同时非线性频率过程需要严格满足相位匹配条件，要求泵浦、信号及闲频光在时空上的精确同步，这可能造成脉冲的空间啁啾及时间噪音。第二类是基于Er³⁺、Dy³⁺及Ho³⁺离子掺杂的氟化物光纤锁模激光技术。虽然在掺Er³⁺和Dy³⁺的氟化物光纤中已实现3μm波段超快，乃至飞秒脉冲的输出，但目前3μm波段光纤锁模还存在许多需要解决的问题。比如：1）掺Er³⁺、Dy³⁺及Ho³⁺离子的高质量氟化物光纤强烈依赖进口，随时存在瓶颈问题；2）没有性能稳定，损伤阈值高的中红外波段可饱和吸收体；3）NPR锁模对光纤非常敏感，任何扰动如：光纤按压、弯曲、环境温度变化等都会造成锁模激光器的失锁。4）受限于光纤的非线性效应及较低的损伤阈值，从光纤中实现大能量的锁模脉冲是比较困难的。第三类是Er³⁺、Ho³⁺等离子掺杂晶体为增益介质的大能量、高功率全固态锁模激光技术，但目前还没有关于全固态连续波锁模激光的报道。虽然以Er³⁺、Ho³⁺等离子掺杂晶体为增益介质的全固态锁模技术是获得大能量、高功率3μm波段超短脉冲的理想方法，但总结研究现状，也存在许多问题亟待解决，除空气中的水蒸气对3μm波段特别是2.7μm激光的强吸收损耗和因量子亏损大造成的增益介质热效应等问题外，具备高损伤阈值、低饱和损耗、非线性光学性质优良的可饱和吸收锁模元件的匮乏是实现3μm波段全固态锁模激光稳定运转的主要问题。

超表面是由亚波长长度的金属或介质微结构周期性排列形成的人工材料，通过设计优化微结构参数实现对入射电磁波的振幅、相位、极化状态等信息的操控。对于单个金属微结构而言，在外部电磁场驱动时，其表面的自由电子也会随之发生集体振荡并与附近的电磁场相互作用，会产生近场增强现象，这称之为表面等离激元共振。等离激元共振动力学主要是由非平衡态电子及声子的运动来控制，与块状材料相比，微结构的等离激光共振会产生较强的非线性光学效应。以金超表面材料为可饱和吸收器件来实现3μm波段全固态超快激光输出具有以下两点独特优势：一是具有可调控性，通过设计超表面结构的尺寸、形状、周期等参数，可精确调控超表面等离激元共振频率；与石墨烯等二维材料结合，通过外加偏置电压可调节超表面的等离激元共振效应，从而做到器件非线性光学特性的可调谐；二是具有高损伤阈值、性能稳定，研究表明基于金的超表面器件，其激光损伤阈值在~190mJ/cm²，而应用于3μm波段的SESAM器件损伤阈值仅仅有1mJ/cm²，这样高损伤阈值非常有助于获得高功率锁模激光稳定输出。

发明内容

针对当前3μm中红外波段可饱和吸收器件的制备技术复杂、损伤阈值低、可饱和参数无法精确控制等技术难题，本发明提供一种基于超表面的3μm波段激光器，具有可调控性和高损伤阈值且性能稳定，设计合理，解决了现有技术的不足，具有良好的效果。

术语说明：

Er³⁺:YAP：掺铒铝酸钇晶体的简称，其分子式为Er³⁺:YAlO₃；

YAG：钇铝石榴石的简称，其分子式为Y₃Al₅O₁₂；

AR：是增透，对某波长的光透过率不低于99.8％；

AR@972 nm：是972 nm波段增透膜的通用简称；

HT：是高透，对某波长的光透过率不低于99.5％；

HR：是高反，对某波长的光反射率不低于99.8％。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种基于超表面的3μm波段激光器，包括半导体激光二极管泵浦源、耦合光纤、光聚焦耦合系统、激光增益介质、激光谐振腔、色散补偿元件和激光锁模器件；

所述半导体激光二极管泵浦源、光聚焦耦合系统和激光谐振腔依次排列，半导体激光二极管泵浦源通过耦合光纤连接至光聚焦耦合系统，所述激光谐振腔采用X型腔，包括3个输入镜、1个耦合输出镜和1个激光锁模器件，所述激光增益介质和色散补偿元件放置在激光谐振腔内；

所述激光增益介质为Er³⁺:YAP晶体；

所述色散补偿元件为CaF₂晶体；

所述激光锁模器件为超表面可饱和吸收镜，在可饱和吸收镜的激光腔面镀有超表面结构。

进一步地，所述激光谐振腔中的3个输入镜为凹面镜，曲率半径为100mm，输入面镀AR@972nm，激光腔面镀HR@2.8-3.0μm，所述耦合输出镜为平面镜。

进一步地，超表面可饱和吸收镜采用的超表面结构周期单元尺寸为微米量级，整体超表面可饱和吸收镜尺寸在1~2厘米量级；首先以CaF₂材料为基底，在其上表面交替镀ZnS和YF₃材料，一层ZnS的厚度为326 nm，一层YF₃的厚度为487 nm，当电镀形成的介质膜层达到20层以上，且在3μm波段呈现出高反射性时，停止电镀，得到3μm波段激光反射镜；

在反射镜下表面制备“金-石墨烯”超表面结构，“金-石墨烯”超表面结构采用掺杂的SiC作为基底，首先在SiC基底下表面蒸镀一圈金作为电极，在SiC基底上表面采用光刻或电子束曝光技术制备金超表面微结构，然后将CVD生长的石墨烯薄膜转移到金超表面上，最后在石墨烯薄膜上蒸镀与SiC基底下表面相同的金电极，得到“金-石墨烯”超表面结构，将“金-石墨烯”超表面结构制备到3μm波段激光反射镜上，完成具有反射和可饱和吸收复合功能超表面饱和吸收镜的制备。

进一步地，所述半导体激光二极管泵浦源输出功率为0~30W，数值孔径为0.22，光纤芯径为400μm，其中心波长为976nm。

进一步地，所述光聚焦耦合系统焦距为80mm，聚焦比为1:2，用以将泵浦光聚焦到激光增益介质上。

进一步地，所述Er³⁺:YAP晶体的Er³⁺掺杂浓度为10 at.%，晶体尺寸为2*2*5 mm³，Er³⁺:YAP晶体用铟箔纸包裹，放置在铜制循环水冷夹具中。

进一步地，泵浦光由半导体激光二极管泵浦源发出，通过光纤耦合器传输给光聚焦耦合系统，光聚焦耦合系统将泵浦光聚焦到激光增益介质Er³⁺:YAP晶体上，利用不同透过率的耦合输出镜分别构成不同的X型谐振腔，调整输入镜、超表面可饱和吸收镜以及耦合输出镜的角度，探索不同透过率下最大连续激光输出功率，选择输出功率最大的X型谐振腔，Er³⁺:YAP晶体在整个过程中采用13℃循环水冷却；

通过调整“金-石墨烯”超表面可饱和吸收镜上石墨烯偏置电压，并再次调整超表面可饱和吸收镜的位置与角度，来建立稳定的锁模状态，得到平均输出功率大于300m、脉冲宽度小于30ps的稳定锁模激光，由于超表面的可饱和吸收特性，其对光的吸收强度与腔内光强相关，在泵浦光功率较低时，腔内荧光光强较弱，超表面可饱和吸收镜呈现出对弱光的强吸收，腔内损耗很大，激光无法振荡；持续增加泵浦光，激光谐振腔内反转粒子数不断增加，腔内荧光光强逐步增加，当增加到超表面可饱和吸收镜的饱和光强时，其对光的吸收强度明显降低，腔内损耗降低，形成激光振荡，实现3μm脉冲激光的稳定输出。

本发明所带来的有益技术效果：

（1）本发明中采用“金-石墨烯”超表面可饱和吸收镜作为锁模器件，超表面在等离激元共振频率处所展现出的强的非线性光学效应与非平衡态电子及声子的运动有关，本发明采用的超表面微结构单元可实现3μm波段的可饱和吸收效应。而且通过调整“金-石墨烯”超表面可饱和吸收镜上石墨烯偏置电压可以调节其费米能级、介电常数等参数，进而调节等离激元谐振频率及非平衡态电子及声子动力学行为，从而使得“金-石墨烯”超表面可饱和吸收镜具有可调谐性；

（2）本发明中将“金-石墨烯”超表面结构直接制备到CaF₂为基底的激光反射镜上，使其具有可饱和吸收及光反射的复合作用，可减少插入损耗，降低锁模激光阈值，提高激光输出的效率。同时，这样的超表面可饱和吸收镜具有高损伤阈值、性能稳定等优良的3μm波段可饱和吸收特性；

（3）与传统光参量振荡获得3μm波段中红外脉冲激光技术方案相比，本发明采用半导体激光二极管泵浦源直接泵浦Er³⁺:YAP晶体，采用高亮度激光作为泵浦源，有助于激发增益介质的自振幅调制，抑制激光锁模不稳定性，有利于获得稳定的连续波锁模超短脉冲输出。半导体激光二极管泵浦源输出中心波长为972 nm，与增益介质Er³⁺:YAP晶体的吸收中心波长满足增益带宽匹配，以增加激光器的能量转换效率；

（4）本发明采用具有较高声子能量热导率晶体（Er³⁺:YAP）作为增益介质，可以较好的改善增益介质的热效应问题，且该晶体的激光输出波长大于2.8μm，可以避开2.7μm处水蒸气对光的强烈吸收，降低了吸收损耗；

（5）本发明中Er³⁺:YAP晶体经过激光级抛光，以获得平面型超光滑无损伤层的激光晶体；实验晶体设置有铟箔纸包裹层，置于铜制循环水冷夹具中，能有效减弱实验中产生的热量给晶体带来的影响；

（6）本发明选择CaF₂晶体作为色散补偿元件，实现对谐振腔内色散的有效控制和补偿，有助于锁模状态的建立以及获得窄脉宽的脉冲。

附图说明

图1为一种基于超表面的3μm波段激光器结构示意图；

其中，1-半导体激光二极管泵浦源；2-耦合光纤；3-光聚焦耦合系统；4-第一输入镜；5为激光增益介质；6-第二输入镜；7-第三输入镜；8-超表面可饱和吸收镜；9-色散补偿元件；10-耦合输出镜。

图2为超表面可饱和吸收镜结构示意图；

其中，11为CaF₂材料为基底的3μm激光反射镜，12为“金-石墨烯”超表面结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

一种基于超表面的3μm波段激光器，如图1所示，包括半导体激光二极管泵浦源1、耦合光纤2、光聚焦耦合系统3、激光增益介质、激光谐振腔、色散补偿元件9和激光锁模器件；

半导体激光二极管泵浦源1、光聚焦耦合系统3和激光谐振腔依次排列，半导体激光二极管泵浦源1通过耦合光纤2连接至光聚焦耦合系统3，激光谐振腔采用X型腔，包括3个输入镜，分别为第一输入镜4、第二输入镜6和第三输入镜7、1个耦合输出镜10和1个激光锁模器件，激光增益介质5放置在激光谐振腔内，激光增益介质5为Er³⁺:YAP晶体，第一输入镜4和第二输入镜6分别置于Er³⁺:YAP晶体的两侧；激光锁模器件为超表面可饱和吸收镜8，超表面可饱和吸收镜8置于第三输入镜7一侧，色散补偿元件9为CaF₂晶体，位于超表面可饱和吸收镜8和耦合输出镜10之间。

半导体二极管泵浦源产生泵浦光，经过光聚焦耦合系统3进行聚焦与准直，射向第一输入镜4，然后透过第一输入镜4聚焦在Er³⁺:YAP晶体中心，从Er³⁺:YAP晶体射出后，经过第二输入镜6反射向耦合输出镜10，耦合输出镜10透射一部分光，向第二输入镜6反射一部分光，然后光再经过Er³⁺:YAP晶体、第一输入镜4、第三输入镜7、超表面可饱和吸收镜8、第三输入镜7、第一输入镜4，Er³⁺:YAP晶体、第二输入镜6、色散补偿元件9，最后由耦合输出镜10输出激光光束。

具体地，半导体激光二极管泵浦源1输出功率为0~30W，数值孔径为0.22，光纤芯径为400μm，其中心波长为976nm。

具体地，光聚焦耦合系统3焦距为80mm，聚焦比为1:2，用以将泵浦光聚焦到激光增益介质5上。

具体地，第一、第二和第三输入镜为曲率半径为100mm的凹面镜，其输入面镀AR@972nm，激光腔面镀HR@2.8-3.0μm，激光锁模器件为超表面可饱和吸收镜8，在可饱和吸收镜的激光腔面镀有超表面结构，具有可饱和吸收及光反射的复合作用，耦合输出镜10为平面镜。

具体地，Er³⁺:YAP晶体的Er³⁺掺杂浓度为10 at.%，晶体尺寸为2*2*5 mm³，Er³⁺:YAP晶体经过激光级抛光后用铟箔纸包裹，放置在铜制循环水冷夹具中，采用13℃循环水冷却。

具体地，超表面可饱和吸收镜8使用的超表面微结构周期单元尺寸在微米量级，整体器件尺寸在1~2厘米量级，整体超表面可饱和吸收镜尺寸在1-2厘米量级。首先以CaF₂材料为基底，在其上表面交替镀ZnS和YF₃材料，一层ZnS的厚度约为326 nm，一层YF₃的厚度约为487 nm，当电镀形成的介质膜层达到20层以上，且在3μm波段呈现出高反射性时，停止电镀，得到3μm波段激光反射镜；

在反射镜下表面制备“金-石墨烯”超表面结构，“金-石墨烯”超表面结构采用掺杂的SiC作为基底，首先在SiC基底下表面蒸镀一圈金作为电极，在SiC基底上表面采用光刻或电子束曝光技术制备金超表面微结构，然后将CVD生长的石墨烯薄膜转移到金超表面上，最后在石墨烯薄膜上蒸镀与SiC基底下表面相同的金电极，得到“金-石墨烯”超表面结构，将“金-石墨烯”超表面结构制备到3μm波段激光反射镜上，完成具有反射和可饱和吸收复合功能超表面饱和吸收镜的制备。这种设计方法相当于把超表面结构直接做到了激光的反射镜上，实现功能复合，可减少额外的插入损耗，有利于锁模激光的形成与稳定。

基于超表面的3μm激光器的工作方法，包括如下步骤：

泵浦光由半导体激光二极管泵浦源1发出，通过光纤耦合器传输给光聚焦耦合系统3，光聚焦耦合系统3将泵浦光聚焦到激光增益介质5Er³⁺:YAP晶体上，利用不同透过率的耦合输出镜10分别构成不同的X型谐振腔，调整三个输入镜、超表面可饱和吸收镜8以及耦合输出镜10的角度，探索不同透过率下最大连续激光输出功率，选择输出功率最大的X型谐振腔，Er³⁺:YAP晶体在整个过程中采用13℃循环水冷却；

基于上述选择的X型谐振腔，通过调整“金-石墨烯”超表面可饱和吸收镜上石墨烯偏置电压，并再次调整超表面可饱和吸收镜的位置与角度，来建立稳定的锁模状态，得到平均输出功率大于300mW、脉冲宽度小于30ps的稳定锁模激光。由于超表面的可饱和吸收特性，其对光的吸收强度与腔内光强相关，在泵浦光功率较低时，腔内荧光光强较弱，超表面可饱和吸收镜呈现出对弱光的强吸收，腔内损耗很大，激光无法振荡；持续增加泵浦光，激光谐振腔内反转粒子数不断增加，腔内荧光光强逐步增加，当增加到超表面可饱和吸收镜的饱和光强时，其对光的吸收强度明显降低，腔内损耗降低，形成激光振荡，实现3μm脉冲激光的稳定输出。

以上为本实施例的完整实现过程。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于超表面的3μm波段激光器，其特征在于，包括半导体激光二极管泵浦源、耦合光纤、光聚焦耦合系统、激光增益介质、激光谐振腔、色散补偿元件和激光锁模器件；

所述半导体激光二极管泵浦源、光聚焦耦合系统和激光谐振腔依次排列，半导体激光二极管泵浦源通过耦合光纤连接至光聚焦耦合系统，所述激光谐振腔采用X型腔，包括3个输入镜、1个耦合输出镜、1个激光锁模器件和一个色散补偿元件，所述激光增益介质和色散补偿元件放置在激光谐振腔内；

所述激光增益介质为Er³⁺:YAP晶体；

所述色散补偿元件为CaF₂晶体；

所述激光锁模器件为超表面可饱和吸收镜，在可饱和吸收镜的激光腔面镀有超表面结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于超表面的3μm波段激光器，其特征在于，所述激光谐振腔中的3个输入镜为凹面镜，曲率半径为100mm，输入面镀AR@972nm，激光腔面镀HR@2.8-3.0μm，所述耦合输出镜为平面镜。

3.根据权利要求1所述的一种基于超表面的3μm波段激光器，其特征在于，所述超表面可饱和吸收镜采用的超表面结构周期单元尺寸为微米量级，整体超表面可饱和吸收镜尺寸在1~2厘米量级；首先以CaF₂材料为基底，在其上表面交替镀ZnS和YF₃材料，一层ZnS的厚度为326 nm，一层YF₃的厚度为487 nm，当电镀形成的介质膜层达到20层以上，且在3μm波段呈现出高反射性时，停止电镀，得到3μm波段激光反射镜；

在反射镜下表面制备“金-石墨烯”超表面结构，“金-石墨烯”超表面结构采用掺杂的SiC作为基底，首先在SiC基底下表面蒸镀一圈金作为电极，在SiC基底上表面采用光刻或电子束曝光技术制备金超表面微结构，然后将CVD生长的石墨烯薄膜转移到金超表面上，最后在石墨烯薄膜上蒸镀与SiC基底下表面相同的金电极，得到“金-石墨烯”超表面结构，将“金-石墨烯”超表面结构制备到3μm波段激光反射镜上，完成具有反射和可饱和吸收复合功能超表面饱和吸收镜的制备。

4.根据权利要求1所述的一种基于超表面的3μm波段激光器，其特征在于，所述半导体激光二极管泵浦源输出功率为0~30W，数值孔径为0.22，光纤芯径为400μm，其中心波长为976nm。

5.根据权利要求1所述的一种基于超表面的3μm波段激光器，其特征在于，所述光聚焦耦合系统焦距为80mm，聚焦比为1:2，用以将泵浦光聚焦到激光增益介质上。

6.根据权利要求1所述的一种基于超表面的3μm波段激光器，其特征在于，所述Er³⁺:YAP晶体的Er³⁺掺杂浓度为10 at.%，晶体尺寸为2*2*5 mm³，Er³⁺:YAP晶体用铟箔纸包裹，放置在铜制循环水冷夹具中。

7.根据权利要求1所述的一种基于超表面的3μm波段激光器，其特征在于，泵浦光由半导体激光二极管泵浦源发出，通过光纤耦合器传输给光聚焦耦合系统，光聚焦耦合系统将泵浦光聚焦到激光增益介质Er³⁺:YAP晶体上，利用不同透过率的耦合输出镜分别构成不同的X型谐振腔，调整三个输入镜、超表面可饱和吸收镜以及耦合输出镜的角度，探索不同透过率下最大连续激光输出功率，选择输出功率最大的X型谐振腔，Er³⁺:YAP晶体在整个过程中采用13℃循环水冷却；

基于上述选择的X型谐振腔，通过调整“金-石墨烯”超表面可饱和吸收镜上石墨烯偏置电压，并再次调整超表面可饱和吸收镜的位置与角度，来建立稳定的锁模状态，得到平均输出功率大于300mW、脉冲宽度小于30ps的稳定锁模激光，由于超表面的可饱和吸收特性，其对光的吸收强度与腔内光强相关，在泵浦光功率较低时，腔内荧光光强较弱，超表面可饱和吸收镜呈现出对弱光的强吸收，腔内损耗很大，激光无法振荡；持续增加泵浦光，激光谐振腔内反转粒子数不断增加，腔内荧光光强逐步增加，当增加到超表面可饱和吸收镜的饱和光强时，其对光的吸收强度明显降低，腔内损耗降低，形成激光振荡，实现3μm脉冲激光的稳定输出。