[发明专利]基于石墨炔可饱和吸收的中红外脉冲固体激光器及工作方法

说明书

本发明涉及激光技术领域，公开了一种基于石墨炔可饱和吸收的中红外脉冲固体激光器及工作方法，该中红外脉冲固体激光器由半导体激光二极管泵浦源、耦合光纤、光聚焦耦合系统、激光谐振腔、激光增益介质和激光Q调制器件组成，其中激光增益介质为Er³⁺:YAP晶体，激光Q调制器件为石墨炔可饱和吸收体。由半导体激光二极管泵浦源发出泵浦光经由光聚焦耦合系统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来分别搭建直型激光谐振腔，在不同透过率下研究连续激光的输出特性。相比于传统由1μm波段激光经光参量振荡转换到中红外波段过程，本发明中半导体激光器直接泵浦中红外脉冲激光器具有小型化、高效率、低成本等优势。

技术领域

本发明涉及激光技术及非线性光学领域，具体涉及基于石墨炔可饱和吸收的中红外脉冲固体激光器及工作方法。

背景技术

3μm波段超快激光处于典型的大气透明窗口，是公认的“分子指纹”光谱区域，在国防安全、环境监测、生物医学、中红外光学频率梳、超连续谱、高光子能量高次谐波产生等方面发挥着不可替代的作用。自2011年以来，Nature Photonics期刊多次推荐中红外激光研究方向，并在12年7月出版专刊“Mid-infrared photonics”，将2-20μm中红外激光看作是激光技术领域一个新的研究机遇。目前获得3μm波段脉冲激光主要有两种方法，一是通过非线性频率变换，将1μm波段脉冲激光变频到3μm波段，二是基于掺Cr²⁺、Fe²⁺晶体的克尔透镜锁模方法。2009-2013年，奥地利维也纳大学E.Sorikin等人实现了Cr:ZnSe和Cr:ZnS激光器的2.5μm波段克尔透镜锁模，锁模脉冲宽度达到～100fs量级。然而，掺Cr²⁺、Fe²⁺高质量晶体较难生长且无法直接用成熟半导体激光二极管泵浦源LD进行泵浦，克尔透镜锁模对于谐振腔的设计要求较为苛刻，这都限制了3μm波段超快激光的发展。因此，从激光器的应用角度来看，特别是在军事领域，总希望器件结构紧凑，输出功率高，最好能用LD直接泵浦掺Er³⁺增益介质，通过饱和吸收体锁模来产生3μm波段超快激光，从而减少中间环节，提高激光器输出的稳定性和效率。

要实现3μm波段LD直接泵浦的掺Er³⁺脉冲激光，必须在掺Er³⁺增益介质和3μm波段饱和吸收材料方面有所突破。目前来讲，掺Er³⁺增益介质因材料本身的寿命、荧光猝灭及热问题，其发展远远没有掺Nd³⁺、Yb³⁺、Tm³⁺等增益介质成熟。但相比于激光增益介质，3μm波段饱和吸收材料是限制该波段脉冲激光产生的主要因素。2012年，澳大利亚悉尼大学J.F.Li等人利用SESAM作为饱和吸收体在Ho³⁺、Pr³⁺掺杂的ZBLAN光纤中已经实现了2.87μm锁模激光输出，脉冲宽度达到24ps。但SESAM需要分子束外延生长，制备工艺复杂，且用于中红外波段的SESAM材料晶格常数失配，会产生较多的位错和缺陷，导致低的损伤阈值和大的非饱和损耗，目前尚不成熟。近几年，以石墨烯为代表的低维材料，如过渡金属硫化物、黒磷等因具有与体块材料迥异的物理化学性质，展现出了一般体块材料难以具备的功能，使之成为目前光电子器件领域的研究热点。这类材料的典型特点是其带隙可由材料的层数或缺陷态来适当调节，达到宽带的光学响应。