一种锁模超快中红外激光器及其工作方法和应用

1.本发明涉及全固态中红外激光技术领域，具体涉及一种锁模超快中红外激光器及其工作方法和应用，尤其涉及一种基于gainsb/gasb量子阱sesam锁模波段倍半氧化物晶体的2μm超短脉冲激光器及工作方法。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.中红外2μm波段超快激光在工业加工、激光手术和科学研究等领域有着广泛的应用。随着中红外波段固体激光材料和锁模器件的不断发展，利用可饱和吸收体器件锁模直接产生2μm超短脉冲固体激光成为有效技术途径。近年来，倍半氧化物晶体因具有宽荧光光谱(>100nm)、高热导率(12.5w
·
m
‑1·
k
‑1)特性，在2μm超短脉冲固体激光领域展现出了良好的应用潜力。以tm:lu2o3晶体为例，因lu原子与镧系稀土激活离子具有相近的原子质量，即使在lu2o3基质中掺入高浓度的tm
3+
激活离子，也不会导致晶体热导率明显下降。目前，利用tm
3+
掺杂sc2o3和lu2o3晶体均已实现飞秒量级的超短脉冲激光输出。然而作为锁模激光器的关键元器件，可饱和吸收体的性能至关重要。
4.发明人研究发现目前基于ingaas/gaas量子阱的半导体可饱和吸收镜(sesam)虽然已经商业化，但是在2μm波段产品性能参差不齐，存在锁模阈值较高、锁模难度大、脉冲稳定性差等问题。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中基于ingaas/gaas量子阱的sesam在2μm波段产品性能参差不齐，存在锁模阈值较高、锁模难度大、脉冲稳定性差等问题，本发明提出一种锁模超快中红外激光器及其工作方法和应用，通过设计激光谐振腔的腔型及参数，首次利用gainsb/gasb量子阱sesam实现倍半氧化物晶体2μm全固态中红外超快激光输出。相比于传统的ingaas/gaas量子阱sesam，锑化物gainsb/gasb量子阱sesam具有亚皮秒超快弛豫时间，而且晶格失配小、光学质量好、参数易于调节，嵌入alassb/gasb材料作为布拉格反射层可实现几百nm的高反射带宽，是2μm波段超快激光的理想锁模元件。
6.具体地，本发明通过如下技术方案实现：
7.在本发明的第一方面，提出一种锁模超快中红外激光器，包括：平面输入镜、倍半氧化物晶体、第一凹面全反镜、第一色散补偿镜、第二色散补偿镜、平面输出镜、第二凹面全反镜、gainsb/gasb量子阱sesam；
8.所述平面输入镜、倍半氧化物晶体、第一凹面全反镜、第一色散补偿镜、第二色散补偿镜、平面输出镜、第二凹面全反镜、gainsb/gasb量子阱sesam依次设置，使得激光经反射形成的光路呈z形折叠状，折叠角度为0～5
°
；
9.gainsb/gasb量子阱sesam上的光路垂直于gainsb/gasb量子阱sesam表面；
10.在本发明的第二方面，提出一种锁模超快中红外激光器的工作方法，当泵浦源吸收泵浦功率为2.5w时，开始进入连续波锁模状态，在最大吸收泵浦功率3.3w时，获得最大连续波锁模激光功率160mw，锁模脉冲宽度3.6ps，重复频率85.2mhz，通过使用不同波长透过率的输出镜，可以实现2070nm和1950nm的波长输出。
11.在本发明的第三方面，提出锁模超快中红外激光器在非线性频率变换、微加工、激光光谱学、医疗领域中的应用。
12.在本发明的第四方面，提出一种长距离大容量光纤通信、光存储、光显示、光互联、光信息处理、激光加工、激光医疗装备，包括锁模超快中红外激光器。
13.本发明一个或多个实施例具有以下有益效果：
14.(1)将平面输入镜、倍半氧化物晶体、第一凹面全反镜、第一色散补偿镜、第二色散补偿镜、平面输出镜、第二凹面全反镜、gainsb/gasb量子阱sesam依次放置，光路呈z形折叠状，折叠角度为0～5
°
，这样设计可以实现2μm倍半氧化物晶体稳定的低阈值锁模激光运转，使该激光器具有锁模操作简单、热不灵敏性好、受外界干扰小、长时间工作稳定性高等优势。
15.(2)当吸收泵浦功率为2.5w，激光器开始进入连续波锁模状态。在最大吸收泵浦功率3.3w时，获得最大连续波锁模激光功率160mw，锁模脉冲宽度3.6ps，重复频率85.2mhz，通过使用不同波长透过率的输出镜，可以实现2070nm和1950nm的波长输出。
附图说明
16.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
17.图1为本发明实施例1基于gainsb/gasb量子阱sesam的倍半氧化物晶体锁模实验装置示意图；
18.图2为本发明实施例2典型的tm:lu2o3锁模激光脉冲序列示意图；
19.图3为本发明实施例2中1950nm tm:lu2o3晶体锁模激光输出光谱图；
20.图4为本发明实施例2中2070nm tm:lu2o3晶体锁模激光输出光谱图；
21.其中：1、泵浦源；2、耦合透镜系统；3、平面输入镜；4、倍半氧化物晶体；5、第一凹面全反镜；6、第一色散补偿镜；7、第二色散补偿镜；8、平面输出镜；9、第二凹面全反镜；10、gainsb/gasb量子阱sesam。
具体实施方式
22.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
23.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包
括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
24.新型倍半氧化物晶体因具有宽荧光光谱(>100nm)、高热导率(12.5w
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‑1)特性，在2μm超短脉冲固体激光领域展现出了良好的应用潜力。发明人研究发现目前基于ingaas/gaas量子阱的sesam虽然已经商业化，但是在2μm波段产品性能参差不齐，存在锁模阈值较高、锁模难度大、脉冲稳定性差等问题。
25.为了解决这些问题，本发明提出一种锁模超快中红外激光器及其工作方法和应用，通过设计激光谐振腔的腔型及参数，首次利用gainsb/gasb量子阱sesam实现倍半氧化物晶体2μm全固态中红外超快激光输出。
26.具体地，本发明通过如下技术方案实现：
27.在本发明的第一方面，提出一种锁模超快中红外激光器，包括：平面输入镜、倍半氧化物晶体、第一凹面全反镜、第一色散补偿镜、第二色散补偿镜、平面输出镜、第二凹面全反镜、gainsb/gasb量子阱sesam；
28.所述平面输入镜、倍半氧化物晶体、第一凹面全反镜、第一色散补偿镜、第二色散补偿镜、平面输出镜、第二凹面全反镜、gainsb/gasb量子阱sesam依次设置，使得激光经反射形成的光路呈z形折叠状，且第一凹面全反镜、第一色散补偿镜、第二色散补偿镜、平面输出镜、第二凹面全反镜、平面输出镜、第二凹面全反镜上的入射光路和反射光路夹角为0～5
°
；
29.gainsb/gasb量子阱sesam上的光路垂直于gainsb/gasb量子阱sesam表面；
30.z形折叠状也可表述为z形折叠腔，其意为通过各结构的放置，使得激光依次经各部件反射后形成的光路呈z形折叠状，具备这样功能的腔体为z形折叠腔。
31.所述z形折叠状的折叠角度为各结构(除gainsb/gasb量子阱sesam)上入射和反射光路的夹角。
32.在本发明的一个或多个实施例中，所述锁模超快中红外激光器还包括泵浦源、耦合透镜系统。
33.优选地，所述泵浦源采用796nm窄线宽锁波长半导体激光器，光谱线宽0.4nm，最大输出功率30w，纤芯直径200μm，数值孔径为0.22。
34.在本发明的一个或多个实施例中，所述耦合透镜系统为1:1耦合透镜系统；
35.优选地，所述平面输入镜参数为ar@796nm，hr@2μm；
36.优选地，所述倍半氧化物晶体为tm:lu2o3晶体；
37.优选地，所述tm:lu2o3晶体尺寸为3mm
×
3mm
×
3mm，tm
3+
掺杂浓度为1at.％。
38.在本发明的一个或多个实施例中，所述第一凹面全反镜曲率为200mm，hr@2μm；
39.所述第一色散补偿镜、第二色散补偿镜选自平面gires
‑
tournois interferometer镜，群色散补偿
‑
300fs2；
40.优选地，所述平面输出镜透过率1％；
41.优选地，所述第二凹面全反镜的曲率500mm，hr@2μm。
42.在本发明的一个或多个实施例中，所述gainsb/gasb量子阱sesam，具有3层gainsb量子阱，饱和恢复时间9ps，饱和能量密度50～60μj/cm2。
43.在本发明的一个或多个实施例中，所述z型折叠状的折叠角度为4
°
。
44.所述光路呈z形折叠状应理解为：激光束经过倍半氧化物晶体，沿第一方向入射到
第一凹面全反镜上，接着激光束经第一凹面全反镜反射后，沿第二方向入射到第一色散补偿镜上，接着激光束经第一色散补偿镜反射后，沿第三方向入射到第二色散补偿镜上，接着激光束经第二平面色散补偿镜反射后，沿第四方向入射到平面输出镜上，接着激光束经平面输出镜反射后，沿第五方向入射到第二凹面全反镜上，接着激光束经第二凹面全反镜反射后，沿第六方向入射到gainsb/gasb量子阱sesam。接着该激光束从gainsb/gasb量子阱sesam反射后，沿原路依次返回，在激光腔内形成振荡。
45.第四方向的入射激光在平面输出镜上发生一定的透射作用，沿第四方向输出；经gainsb/gasb量子阱sesam原路反射回去的激光经第二凹面反射后在平面输出镜上发生一定的透射作用，沿第五方向的反向输出。
46.所述第一方向与第二方向、第二方向与第三方向、第三方向与第四方向、第四方向与第五方向、第五方向与第六方向的夹角，均为0～5
°
。
47.所述第一方向至第六方向的激光光路处于同一平面内。
48.在本发明的一个或多个实施例中，所述平面输入镜、倍半氧化物晶体、第一凹面全反镜、第一色散补偿镜、第二色散补偿镜、平面输出镜、第二凹面全反镜、gainsb/gasb量子阱sesam的位置设置使得激光在这些结构间形成的z形折叠状光路总长度为1.4～4m，优选为1.76m。
49.z形折叠状光路总长度可通过改变第一凹面全反镜、第一色散补偿镜、第二色散补偿镜、平面输出镜、第二凹面全反镜之间的距离进行调整。
50.优选地，锁模超快中红外激光器可以通过调整结构的角度和位置，特别是sesam器件，使得激光呈z形折叠状结构的夹角和长度变化，以此调节激光输出。
51.本发明一些实施例将平面输入镜、倍半氧化物晶体、第一凹面全反镜、第一色散补偿镜、第二色散补偿镜、平面输出镜、第二凹面全反镜、gainsb/gasb量子阱sesam依次放置，使得经这些结构的激光呈z形折叠状结构，夹角小于5
°
，这样设计可以实现2μm倍半氧化物晶体稳定的低阈值锁模激光运转，该激光器具有锁模操作简单、热不灵敏性好、受外界干扰小、长时间工作稳定性高等优势。
52.当吸收泵浦功率为2.5w，激光器开始进入连续波锁模状态。在最大吸收泵浦功率3.3w时，获得最大连续波锁模激光功率160mw，锁模脉冲宽度3.6ps，重复频率85.2mhz(取决于z形折叠状结构总长度)，通过使用不同波长透过率的输出镜，可以实现2070nm和1950nm的波长输出。
53.所述重复频率与z形折叠状结构总长度成反比。
54.采用本发明所述的锁模超快中红外激光器吸收泵浦功率仅需2
‑
5w，优选2.5
‑
3.3w即能实现倍半氧化物晶体稳定的锁模激光运转。同等条件下，经实验常规sesam锁模激光器需要吸收泵浦4.5w功率才能实现倍半氧化物晶体稳定的锁模运转，也就是说本发明利用gainsb/gasb量子阱sesam实现了倍半氧化物晶体稳定的低阈值锁模运转。
55.在本发明的第二方面，提出一种锁模超快中红外激光器的工作方法，当激光器吸收泵浦功率为2.5w时，开始进入连续波锁模状态，在最大吸收泵浦功率3.3w时，获得最大连续波锁模激光功率160mw，锁模脉冲宽度3.6ps，重复频率85.2mhz，通过使用不同波长透过率的输出镜，可以实现2070nm和1950nm的波长输出。
56.在本发明的第三方面，提出锁模超快中红外激光器在非线性频率变换、微加工、激
光光谱学、医疗领域中的应用。
57.在本发明的第四方面，提出一种长距离大容量光纤通信、光存储、光显示、光互联、光信息处理、激光加工、激光医疗装备，包括锁模超快中红外激光器。
58.下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
59.实施例1
60.如图1所示，为本实施例公开的一种锁模超快中红外激光器，包括：泵浦源1、耦合透镜系统2、平面输入镜3、倍半氧化物晶体4、第一凹面全反镜5、第一色散补偿镜6、第二色散补偿镜7、平面输出镜8、第二凹面全反镜9、gainsb/gasb量子阱sesam 10；
61.所述平面输入镜3、倍半氧化物晶体4、第一凹面全反镜5、第一色散补偿镜6、第二色散补偿镜7、平面输出镜8、第二凹面全反镜9、gainsb/gasb量子阱sesam 10依次设置，使得光路经平面输入镜3、倍半氧化物晶体4、第一凹面全反镜5、第一色散补偿镜6、第二色散补偿镜7、反射到平面输出镜8、第二凹面全反镜9、gainsb/gasb量子阱sesam 10反射形成的光路呈z形折叠状，且第一凹面全反镜5、第一色散补偿镜6、第二色散补偿镜7、平面输出镜8、第二凹面全反镜9上的入射光路和反射光路夹角为4
°
；
62.gainsb/gasb量子阱sesam上的光路垂直于gainsb/gasb量子阱sesam表面；
63.所述激光器1采用796nm窄线宽锁波长半导体激光器，光谱线宽0.4nm，最大输出功率30w，纤芯直径200μm，数值孔径为0.22；
64.所述平面输入镜3参数为ar@796nm，hr@2μm；
65.所述倍半氧化物晶体4为tm:lu2o3晶体，尺寸为3mm
×
3mm
×
3mm，tm
3+
掺杂浓度为1at.％；
66.所述第一凹面全反镜5曲率为200mm，hr@2μm；
67.所述第一色散补偿镜6、和第二色散补偿镜7选自平面gires
‑
tournois interferometer镜，群色散补偿
‑
300fs2；
68.所述平面输出镜8透过率1％；
69.所述第二凹面全反镜9的曲率500mm，hr@2μm；
70.所述gainsb/gasb量子阱sesam10具有3个gainsb量子阱，饱和恢复时间9ps，饱和能量密度55μj/cm2。
71.所述平面输入镜3、tm:lu2o3晶体4、第一凹面全反镜5、第一色散补偿镜6、第二色散补偿镜7、平面输出镜8、第二凹面全反镜9、gainsb/gasb量子阱sesam 10使得激光构成的z形折叠状结构总长度为1.76m。
72.光路在本实施例各结构间的反射、透射路线为：激光束经过倍半氧化物晶体4，沿第一方向入射到第一凹面全反镜5上，接着激光束经第一凹面全反镜5反射后，沿第二方向入射到第一色散补偿镜6上，接着激光束经第一色散补偿镜6反射后，沿第三方向入射到第二色散补偿镜7上，接着激光束经第二平面色散补偿镜7反射后，沿第四方向入射到平面输出镜8上，接着激光束经平面输出镜8反射后，沿第五方向入射到第二凹面全反镜9上，接着激光束经第二凹面全反镜9反射后，沿第六方向入射到gainsb/gasb量子阱sesam 10。接着该激光束从gainsb/gasb量子阱sesam 10反射后，沿原路依次返回，在激光腔内形成振荡。
73.第四方向的入射激光在平面输出镜8上发生一定的透射作用，沿第四方向输出；经
gainsb/gasb量子阱sesam 10原路反射回去的激光经第二凹面反射9后在平面输出镜8上发生一定的透射作用沿第五方向的反向输出。
74.所述第一方向与第二方向、第二方向与第三方向、第三方向与第四方向、第四方向与第五方向、第五方向与第六方向的夹角，均为4
°
。
75.所述第一方向至第六方向的激光光路处于同一平面内。
76.实施例2
77.本实施例公开一种锁模超快中红外激光器的工作方法，当激光器吸收泵浦功率为2.5w时，开始进入连续波锁模状态，在最大吸收泵浦功率3.3w时，获得最大连续波锁模激光功率160mw，锁模脉冲宽度3.6ps，重复频率85.2mhz，通过使用不同波长透过率的输出镜，可以实现2070nm和1950nm的波长输出。
78.图2为典型的tm:lu2o3锁模激光脉冲序列示意图，由图中可以看出在较低的吸收泵浦功率下，tm:lu2o3晶体产生了稳定的锁模激光脉冲，重复频率85.2mhz。
79.图3为1950nm tm:lu2o3锁模激光输出光谱图，由图中可以看出谱宽3.5nm。
80.图4为2070nm tm:lu2o3锁模激光输出光谱图，由图中可以看出谱宽3nm。
81.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。