一种基于超表面的3μm波段激光器制造技术

本发明专利技术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Er

【技术实现步骤摘要】
一种基于超表面的3
μ
m波段激光器


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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
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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。
[0003]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Er
3+
、Dy
3+
及Ho
3+
离子掺杂的氟化物光纤锁模激光技术。虽然在掺Er
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和Dy
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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Er
3+
、Dy
3+
及Ho
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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Er
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、Ho
3+
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Er
3+
、Ho
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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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]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，本专利技术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。
[0006]术语说明：Er
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:YAP：掺铒铝酸钇晶体的简称，其分子式为Er
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:YAlO3；YAG：钇铝石榴石的简称，其分子式为Y3Al5O
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；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％。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采取如下技术方案：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Er
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: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。
[0008]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
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3.0μm，所述耦合输出镜为平面镜。
[0009]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
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石墨烯”超表面结构，“金
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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
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石墨烯”超表面结构，将“金
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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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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Er
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: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
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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
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石墨烯”超表面结构，“金
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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
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石墨烯”超表面结构，将“金
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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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘善德，李宽，刘俊亭，金义程，吕嘉雯，王培辅，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：