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基于CrOCl晶体的激光脉冲调制器及其在全固态激光器中的应用制造技术

技术编号:13741373 阅读:86 留言:0更新日期:2016-09-22 22:51
本发明专利技术涉及基于CrOCl晶体的激光脉冲调制器及其在全固态激光器中的应用,CrOCl激光脉冲调制器由CrOCl晶体制得,基于CrOCl激光脉冲调制器的全固态激光器包括CrOCl激光脉冲调制器。本发明专利技术将CrOCl晶体用作激光脉冲调制器,具有以下优势:(1)Cr3+离子在CrOCl晶体中是基质离子,有浓度高、分布均匀的特点,可饱和吸收效应具有高效性、均匀性。(2)工作波段宽。CrOCl晶体的短波截止边位于600nm,长波截止边位于18mm,在这个波段内都可实现可饱和吸收。(3)容易制备,可用气相传输法生长,产率高,尺寸大,易剥离,且表面光滑,可直接用于激光脉冲的调制,生产和加工过程极为便利。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及基于CrOCl晶体的激光脉冲调制器及其在全固态激光器中的应用,属于激光

技术介绍
激光器被誉为20世纪最伟大的专利技术之一,发展至今已形成一个巨大的产业,影响着国民经济的各个领域。脉冲激光具有峰值功率高、能量大、脉冲时间短等优势,是激光的重要组成部分和发展方向,在国防、科研、医疗等众多领域有重要应用。实现脉冲激光的技术可大致分为两类:主动调制、被动调制。通过材料本身的可饱和吸收特性对激光产生过程的损耗进行调节,从而获得脉冲激光的方式称为被动调制技术。被动调制具有操作简单、结构紧凑、能耗低等优势,在脉冲激光中扮演着重要角色,其应用越来越普遍。目前常用的可饱和吸收材料有两类:1.具有特殊离子掺杂的绝缘体材料,如掺铬的钇铝石榴石(Cr:YAG)晶体或陶瓷以及色心晶体;2.半导体材料,如砷化镓或特殊工艺做成的可饱和吸收镜(SESAM)。这两类材料制备工艺较为复杂,并且可饱和吸收性能对于波长有很强的依赖性,因此应用范围有限。目前,人们仍在积极探索新型的性能更加优异、全面的可饱和吸收材料。Cr离子掺杂的晶体在激光调制领域具有重要地位。因其生长条件不同,可以形成不同价态,如二价Cr2+、三价Cr3+、四价Cr4+和五价Cr5+。其中,四价Cr4+离子掺杂的晶体是产生1μm附近脉冲激光的常用材料,是被动调Q和锁模的重要元件,最典型的如Cr4+:YAG。利用二价Cr2+离子掺杂的晶体(Cr2+:ZnSe)在1.645μm波段实现了激光调Q。利用五价Cr5+离子掺杂的晶体(Cr5+:YVO4)在1.08μm波段实现了激光调Q。到目前为止还未发现三价Cr3+离子晶体的可饱和吸收效应。我们在开孔Z扫描测试中首次发现,CrOCl晶体具有强的可饱和吸收特性,即在弱光照射时透过率较低,而在强光照射时透过率显著提高。实验装置如图1所示,包含泵浦源1、分光镜2、聚焦透镜3、CrOCl晶体4、第一能量计5、第二能量计6。泵浦源1为染料锁模Nd:YAG脉冲激光器(美国Continuum公司生产,型号PY61C-10,波长1064nm,脉冲宽度40ps,工作频率10Hz),分光镜2将泵浦源1的出射光束分为两束,光束一照射在聚焦透镜3上,聚焦透镜3的焦距为300mm,光束一透过聚焦透镜3和CrOCl晶体4后照射在第一能量计5上,光束二照射在第二能量计6上作为参考光束,第一能量计5和第二能量计6连接计算机进行数据采集。实验过程中,CrOCl晶体在轨道上沿光轴方向直线移动,当CrOCl晶体靠近焦点时光束能量密度逐渐升高,并在焦点位置达到最大,通过焦点后光束能量密度逐渐降低。实验中CrOCl晶体的总移动距离为100mm,光束焦点位于中间位置。实验结果如图2所示,图2中,拟合曲线是根据非线性光学理论对实验数据的拟合,crocl晶体沿光轴方向由远距离接近焦点位置时归一化透过率逐渐增大至150%,表明crocl晶体在1064nm激光照射下通过焦点位置附近时产生了饱和吸收现象,显示了CrOCl晶体具有强的可饱和吸收特性,可作为被动调制元件产生高峰值功率的脉冲激光。中国专利文献CN101378173A公开了掺铬钼酸铝铷可调谐激光晶体及其制备方法和用途,涉及一种可调谐固态激光器中的工作介质。该方法采用60-80at%Rb2Mo3O10为助熔剂,降温速率为1-5℃/天,转速为5-30转/分钟,生长出了高质量、较大尺寸的Cr3+:RbAl(MoO4)2晶体。该晶体属三方晶系,具有空间群结构,折射率1.73。该晶体可作为可调谐激光晶体,其可调谐范围在710-1000nm之间,用该晶体制成的固体激光器可用于光谱学、生物医学、军事等诸多领域中。在该专利中,掺铬钼酸铝铷晶体是一种激光晶体,用作可调谐固体激光器中的工作介质,产生宽调谐激光输出,铬离子在晶体结构中是掺杂离子,部分取代铝离子的晶格位置,含量较少(掺杂浓度在0.2at%-0.5at%之间)。而在本专利中,虽然Cr离子也是三价态,但在CrOCl的晶格结构中属于基质离子而非掺杂离子,因此晶格占有率为100at%,浓度更高、分布更均匀。从功能上来看本专利中的CrOCl是一种可饱和吸收体,用于激光调制,本身并不发射激光,而在上述专利中Cr3+:RbAl(MoO4)2是一种激光晶体,本身发射激光。
技术实现思路
针对现有技术的不足,本专利技术提供了基于CrOCl晶体的激光脉冲调制器;本专利技术提供了上述激光脉冲调制器在全固态激光器中的应用;本专利技术首次将三价Cr3+离子晶体即CrOCl晶体用作激光脉冲调制器,与已有的Cr离子掺杂型可饱和吸收体相比具有以下显著优势:(1)Cr3+离子在CrOCl晶体中是基质离子,而不是掺杂离子,具有浓度高、分布均匀的特点,相应地其可饱和吸收效应具有高效性、均匀性。(2)工作波段宽。CrOCl晶体的短波截止边位于600nm,长波截止边位于18μm,在这个波段内都可实现可饱和吸收,而传统的Cr离子掺杂型可饱和吸收体的可用波段仅为几百纳米甚至更窄。(3)容易制备,CrOCl晶体是具有层状结构的晶体材料,可用气相传输法生长,产率高,尺寸大,易剥离,且表面光滑,可直接用于激光脉冲的调制,生产和加工过程极为便利。术语解释“增透”:一般指对特定波长的光透过率≥95%,“高反射”一般指对特定波长的光反射率≥99%,“部分反射”一般指对特定波长的光反射率在30%-99%之间。本专利技术的技术方案为:CrOCl激光脉冲调制器,是由CrOCl晶体制得,具体步骤包括:(1)由CrOCl晶体的线性光学吸收系数,结合所需初始透过率计算出所需CrOCl晶体厚度;(2)挑选或者剥离出所需厚度的CrOCl晶体,加工成外形规整的器件;例如,矩形、方形、圆形;(3)针对工作波长对通光面进行镀膜,外包制冷铜块,制成被动调Q或锁模元件。上述CrOCl晶体,室温下晶胞参数为:透光范围在0.6~18μm。在该波段均可用作激光脉冲调制器件。上述CrOCl晶体的制备方法,具体步骤如下:将纯度大于99.90%的Cr2O3和纯度大于99.0%的CrCl3,按1:1的摩尔比配比后放置在真空密封的石英管中,以HgCl2为传输介质,将石英管加热,在石英管长度方向上形成温度梯度,原料端温度为1100-1300K,产物端温度为1000-1200K,加热时间100-140h,CrOCl晶体生长完毕后,降至室温。一种基于CrOCl激光脉冲调制器的全固态激光器,包括沿光路依次安放的第一泵浦源、第一前腔镜、第一激光增益介质、所述CrOCl激光脉冲调制器、第一输出镜。根据本专利技术优选的,所述第一泵浦源为半导体激光二极管(LD)或氙灯。提供泵浦能量。所述第一前腔镜及所述第一输出镜组成第一谐振腔,所述第一前腔镜镀以对激光工作波段高反射介质膜,所述第一输出镜镀以对激光工作波段反射介质膜。所述第一激光增益介质为半导体、激光晶体、激光陶瓷或激光玻璃。所有能产生激光增益的固体介质都可以作为第一激光增益介质,加工成圆柱体或者长方体,其端面镀以有利于泵浦光吸收和激光振荡的介质膜,也可以只抛光不镀膜。将所述CrOCl激光脉冲调制器放于谐振腔内,形成调Q或锁模激光输出。上述全固态脉冲激光器的谐振腔参数可自行设计,如腔长、腔镜曲率、输出镜的耦合透过率等,并可根据实际需要本文档来自技高网
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【技术保护点】
CrOCl激光脉冲调制器,其特征在于,是由CrOCl晶体制得,具体步骤包括:(1)由CrOCl晶体的线性光学吸收系数,结合所需初始透过率计算出所需CrOCl晶体厚度;(2)挑选或者剥离出所需厚度的CrOCl晶体,加工成外形规整的器件;(3)针对工作波长对通光面进行镀膜,外包制冷铜块,制成被动调Q或锁模元件。

【技术特征摘要】
1.CrOCl激光脉冲调制器,其特征在于,是由CrOCl晶体制得,具体步骤包括:(1)由CrOCl晶体的线性光学吸收系数,结合所需初始透过率计算出所需CrOCl晶体厚度;(2)挑选或者剥离出所需厚度的CrOCl晶体,加工成外形规整的器件;(3)针对工作波长对通光面进行镀膜,外包制冷铜块,制成被动调Q或锁模元件。2.一种基于权利要求1所述的CrOCl激光脉冲调制器的全固态激光器,其特征在于,包括沿光路依次安放的第一泵浦源、第一前腔镜、第一激光增益介质、所述CrOCl激光脉冲调制器、第一输出镜。3.根据权利要求2所述的全固态激光器,其特征在于,所述第一泵浦源为半导体激光二极管或氙灯;所述第一前腔镜及所述第一输出镜组成第一谐振腔,所述第一前腔镜镀以对激光工作波段高反射介质膜,所述第一输出镜镀以对激光工作波段部分反射介质膜;所述第一激光增益介质为半导体、激光晶体、激光陶瓷或激光玻璃。4.根据权利要求2所述的全固态激光器,其特征在于,所述第一激光增益介质为钕掺杂钇铝石榴石Nd:YAG晶体或钕掺杂钒酸钇Nd:YVO4晶体,所述钕掺杂钇铝石榴石Nd:YAG晶体中Nd3+离子浓度为0.1-3at.%,所述钕掺杂钒酸钇Nd:YVO4晶体中Nd3+离子浓度为0.1-5at.%。5.一种端面泵浦基于权利要求1所述的CrOCl激光脉冲调制器的调Q激光器,其特征在于,包括沿光路依次安放的第二泵浦源、第一光纤耦合系统、第一聚焦系统、第二前腔镜、第二激光增益介质、所述CrOCl激光脉冲调制器、第二输出镜。6.根据权利要求5所述的调Q激光器,其特征在于,所述第二前腔镜及第二输出镜组成第二谐振腔,所述第二谐振腔长度为1-10cm;所述第二泵浦源为发射波长为808nm的激光二极管;所述第二前腔镜为平凹前腔镜,所述第二前腔镜的平面即靠近所述第一聚焦系统一端的表面镀以对808nm增透的介质膜,所述第二前腔镜的凹面即靠近所述第二激光增益介质一端的表面镀以对1.05-1.1μm高反射的介质膜,所述第二前腔镜的凹面的曲率半径为20-1000mm;所述第二激光增益介质为Nd:YAG晶体;所述第二输出镜靠近所述第二激光增益介质一端的表面镀以对1.05-1.1μm部分反射的介质膜,所述第二输出镜的另一端的表面镀以对1.05-1.1μm增透的介质膜;进一...

【专利技术属性】
技术研发人员:王正平王梦霞张健陶绪堂许心光
申请(专利权)人:山东大学
类型:发明
国别省市:山东;37

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