《被动调Q微片激光器.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《被动调Q微片激光器.pdf（10页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 102420385 A (43)申请公布日 2012.04.18 C N 1 0 2 4 2 0 3 8 5 A *CN102420385A* (21)申请号 201110359927.0 (22)申请日 2011.11.14 H01S 3/08(2006.01) H01S 3/06(2006.01) H01S 3/042(2006.01) (71)申请人北京工业大学 地址 100124 北京市朝阳区平乐园100号 (72)发明人王璞 曹镱 刘江 (74)专利代理机构北京思海天达知识产权代理 有限公司 11203 代理人刘萍 (54) 发明名称 被动调Q微片激光器 (。
2、57) 摘要 本发明公开了一种被动调Q微片激光器，属 于激光技术领域。主要包括激光增益介质、石墨烯 或碳纳米管可饱和吸收体、光学元件以及LD泵浦 装置。将厚度纳米量级的石墨烯、碳纳米管可饱 和吸收体紧密夹贴于激光器增益介质与光学元件 之间，利用器件镀膜构成平平腔或平凹腔，使用胶 合、光胶或深化光胶的方法将器件全固化为简单 紧凑的三明治结构。利用石墨烯、碳纳米管材料可 饱和吸收波长范围宽、导热性好的特点可实现微 片激光器不同波长的宽带脉冲调制和良好的散热 特性。本发明具有光学体积小、全固化易维护、波 长调制范围宽的优点，可降低脉冲微片激光器的 工艺难度和生产成本，有着广泛应用前景。 (51)In。
3、t.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 CN 102420397 A 1/2页 2 1.一种被动调Q的微片激光器，包括激光增益介质、石墨烯或碳纳米管可饱和吸收体、 光学元件或光学材料以及LD泵浦装置；其特征在于：在增益介质泵浦端面镀对泵浦光增透 光学膜、或者对激光全反射或部分反射光学膜，或者同时镀上述增透光学膜和反射光学膜； 光学元件镀对激光全反射或部分反射光学膜，利用增益介质和光学元件的镀膜作前后腔镜 构成平平腔或平凹腔，将厚度0.5纳米至5纳米的石墨烯、碳纳米管可饱和吸收体紧密夹贴 于激光器增益介质与光学元件。
4、之间构成三明治结构。 2.根据权利要求1所述的一种被动调Q的微片激光器，其特征在于：所制备的石墨烯 或碳纳米管材料可饱和吸收体厚度为0.5纳米至5纳米；石墨烯可饱和吸收体中石墨烯材 料的层数1至10层。 3.根据权利要求1所述的一种被动调Q的微片激光器，其特征在于：激光增益介质为 Nd:YAG晶体、Nd:YVO 4 晶体、Er:Yb:glass激光材料。 4.根据权利要求1所述的一种被动调Q的微片激光器，其特征在于：光学元件为温度 补偿介质、倍频晶体、波片、对振荡波长通过的光学玻璃或晶体器件或材料，以及此类器件 或材料的组合。 5.根据权利要求1所述的一种被动调Q的微片激光器，其特征在于：使用。
5、胶合、光胶或 深化光胶的方法将微片激光器器件全固化为三明治结构。 6.根据权利要求1所述的一种被动调Q的微片激光器，其特征在于：使用LD直接端面 泵浦，采用光纤耦合输出LD经光学系统进行端面泵浦。 7.根据权利要求1所述的一种被动调Q的微片激光器，其特征在于：依次包括LD泵 浦源(601)、准直系统(602)、激光增益介质(301)与光学元件(402)将石墨烯或碳纳米管 可饱和吸收体(201)紧密夹贴在中间，构成的三明治结构；激光增益介质(301)泵浦端面 镀有对泵浦光增透并对激光全反射的光学膜，其与镀有对激光部分反射光学膜的光学元件 (402)作前后腔镜构成平行平面谐振腔或平凹腔； 光纤耦合。
6、输出LD泵浦源(601)提供泵浦，泵浦光经准直系统(602)聚焦到激光增益介 质(301)泵浦端面并耦合注入；激光增益介质(301)与光学元件(402)将石墨烯或碳纳米 管可饱和吸收体(201)紧密夹贴在中间，构成三明治结构；激光增益介质(301)泵浦端面 镀有对泵浦光增透并对激光全反射的光学膜，其与镀有对激光部分反射光学膜的光学元件 (402)作前后腔镜构成平行平面谐振腔或平凹腔；石墨烯或碳纳米管可饱和吸收体(201) 作为激光调Q装置，调Q脉冲激光通过光学元件(402)输出。 8.根据权利要求1所述的一种被动调Q的微片激光器，其特征在于：依次包括LD泵浦 源，LD泵浦源(601)紧贴激光增。
7、益介质(301)；激光增益介质(301)与光学元件(402)将 石墨烯或碳纳米管可饱和吸收体(201)紧密夹贴在中间，构成的三明治结构；激光增益介 质(301)泵浦端面镀有对泵浦光增透并对激光全反射的光学膜，其与镀有对激光部分反射 光学膜的光学元件(402)作前后腔镜构成平行平面谐振腔或平凹腔； LD泵浦源(601)紧贴于激光增益介质(301)进行端面泵浦；激光增益介质(301)与光 学元件(402)将石墨烯或碳纳米管可饱和吸收体(201)紧密夹贴在中间，构成三明治结构； 激光增益介质(301)泵浦端面镀有对泵浦光增透并对激光全反射的光学膜，其与镀有对激 光部分反射光学膜的光学元件(402)作。
8、前后腔镜构成平行平面谐振腔或平凹腔；石墨烯或 碳纳米管可饱和吸收体(201)作为激光调Q装置，调Q脉冲激光通过光学元件(402)输出。 权 利 要 求 书CN 102420385 A CN 102420397 A 2/2页 3 9.根据权利要求1所述的一种被动调Q的微片激光器，其特征在于：依次包括LD泵浦 源(601)、准直系统(602)、部分反射镜(603)；激光增益介质(301)与光学元件(402)将石 墨烯或碳纳米管可饱和吸收体(201)紧密夹贴在中间，构成的三明治结构；激光增益介质 (301)的泵浦端面镀有对泵浦光增透同时对激光部分反射的光学膜，其与对激光和泵浦光 全反射的光学元件(4。
9、02)构成谐振腔； LD泵浦源(601)经准直系统(602)和部分反射镜(603)耦合注入激光增益介质(301)； 激光增益介质(301)与光学元件(402)将石墨烯或碳纳米管可饱和吸收体(201)紧密夹贴 在中间，构成三明治结构；激光增益介质(301)的泵浦端面镀有对泵浦光增透同时对激光 部分反射的光学膜，其与对激光和泵浦光全反射的光学元件(402)构成谐振腔；石墨烯或 碳纳米管可饱和吸收体(201)作为激光调Q装置，调Q脉冲激光从增益介质泵浦端面经部 分反射镜(603)反射输出。 权 利 要 求 书CN 102420385 A CN 102420397 A 1/5页 4 被动调 Q 微片激。
10、光器 技术领域 0001 本发明涉及激光器领域，尤其涉及微片式结构被动调Q激光器与新型可饱和吸收 体材料石墨烯、碳纳米管。 背景技术 0002 全固化被动调Q微片激光器结构简单紧凑易维护，特别是其毫米量级的极短腔长 可实现单频和高峰值功率脉冲激光输出，有着较高的倍频效率。这些特点使得被动调Q微 片激光器在科学研究、工业加工、生物医学、军事探测等领域获得了广泛应用。目前LD泵浦 的被动调Q微片激光器已可实现脉宽皮秒至纳秒量级、重频千赫兹量级、峰值功率千瓦量 级的脉冲输出。被动调Q微片激光器多使用Cr 4+ :YAG等晶体作为可饱和吸收体，亦有使用 半导体可饱和吸收镜(SESAM)的报道。前者即便。
11、采用键合的Cr 4+ :YAG/Nd:YAG晶体，仍存在 激光腔长不易控制的问题，而且此类晶体的掺杂工艺要求严格，损伤阈值也不理想。 0003 作为一种新型材料，石墨烯及碳纳米管有着优异的电学、光学和力学特性，在高性 能电子器件、传感探测、信息存储、复合材料等领域具有重要的潜在应用价值。石墨烯及碳 纳米管对多波长激光有可观的光限幅作用，特别是原子层级的石墨烯材料能够实现从可见 光到中红外波段的可饱和吸收，使其在激光器制造与应用方面有着非同寻常的重要意义。 随着石墨烯、碳纳米管材料大规模生产制备技术的提高与成熟，利用其作可饱和吸收体将 十分有利于降低脉冲激光器工艺难度和生产成本，有望替代现有的激。
12、光脉冲被动调制器 件。 发明内容 0004 本发明的目的是利用纳米量级厚度石墨烯或碳纳米管材料作可饱和吸收体，实现 结构简单紧凑的三明治型全固化微片激光器及其不同波长的被动调Q。 0005 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案： 0006 微片激光器包括激光增益介质、石墨烯或碳纳米管可饱和吸收体、光学元件以及 LD泵浦装置。将纳米量级厚度的石墨烯或碳纳米管可饱和吸收体紧密夹贴于激光增益介质 与光学元件之间，构成三明治结构。在激光增益介质与光学元件上镀膜作前后腔镜构成平 行平面谐振腔或平凹腔。上述光学元件为温度补偿介质、倍频晶体、波片、对振荡波长通过 的光学玻璃或晶体等器件，亦可是此类器件的组。
13、合。使用胶合、光胶或深化光胶等方法将各 器件全固化。采用LD或光纤耦合输出型LD对上述三明治结构微片激光器进行端面泵浦。 所述的石墨烯或碳纳米管可饱和吸收体含有石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯聚合物、碳纳米管 中的一种或多种成分，可以直接生长在基质表面，可以制备为固体粉末或薄膜形式，也可以 与PVC等溶剂混合制备成聚合物薄膜形式。 0007 一种被动调Q的微片激光器，包括激光增益介质、石墨烯或碳纳米管可饱和吸收 体、光学元件或光学材料以及LD泵浦装置；其特征在于：在增益介质泵浦端面镀对泵浦光 增透光学膜、或者对激光全反射或部分反射光学膜，或者同时镀上述增透光学膜和反射光 说 明 书CN 102420。
14、385 A CN 102420397 A 2/5页 5 学膜；光学元件镀对激光全反射或部分反射光学膜，利用增益介质和光学元件的镀膜作前 后腔镜构成平平腔或平凹腔，将厚度0.5纳米至5纳米的石墨烯、碳纳米管可饱和吸收体紧 密夹贴于激光器增益介质与光学元件之间构成三明治结构。 0008 所制备的石墨烯或碳纳米管材料可饱和吸收体厚度为0.5纳米至5纳米；石墨烯 可饱和吸收体中石墨烯材料的层数1至10层。 0009 激光增益介质为Nd:YAG晶体、Nd:YVO 4 晶体、Er:Yb:glass激光材料。 0010 光学元件为温度补偿介质、倍频晶体、波片、对振荡波长通过的光学玻璃或晶体器 件或材料，以及。
15、此类器件或材料的组合。 0011 使用胶合、光胶或深化光胶的方法将微片激光器器件全固化为三明治结构。 0012 使用LD直接端面泵浦，采用光纤耦合输出LD经光学系统进行端面泵浦。 0013 所述的一种被动调Q的微片激光器，其特征在于：依次包括LD泵浦源601、准直系 统602、激光增益介质301与光学元件402将石墨烯或碳纳米管可饱和吸收体201紧密夹贴 在中间，构成的三明治结构；激光增益介质301泵浦端面镀有对泵浦光增透并对激光全反 射的光学膜，其与镀有对激光部分反射光学膜的光学元件402作前后腔镜构成平行平面谐 振腔或平凹腔。 0014 光纤耦合输出LD泵浦源601提供泵浦，泵浦光经准直系。
16、统602聚焦到激光增益介 质301泵浦端面并耦合注入；激光增益介质301与光学元件402将石墨烯或碳纳米管可饱 和吸收体201紧密夹贴在中间，构成三明治结构；激光增益介质301泵浦端面镀有对泵浦光 增透并对激光全反射的光学膜，其与镀有对激光部分反射光学膜的光学元件402作前后腔 镜构成平行平面谐振腔或平凹腔；石墨烯或碳纳米管可饱和吸收体201作为激光调Q装置， 调Q脉冲激光通过光学元件402输出。 0015 所述的一种被动调Q的微片激光器，其特征在于：依次包括LD泵浦源，LD泵浦源 601紧贴激光增益介质301；激光增益介质301与光学元件402将石墨烯或碳纳米管可饱和 吸收体201紧密夹贴在。
17、中间，构成的三明治结构；激光增益介质301泵浦端面镀有对泵浦光 增透并对激光全反射的光学膜，其与镀有对激光部分反射光学膜的光学元件402作前后腔 镜构成平行平面谐振腔或平凹腔。 0016 LD泵浦源601紧贴于激光增益介质301进行端面泵浦；激光增益介质301与光学 元件402将石墨烯或碳纳米管可饱和吸收体201紧密夹贴在中间，构成三明治结构；激光增 益介质301泵浦端面镀有对泵浦光增透并对激光全反射的光学膜，其与镀有对激光部分反 射光学膜的光学元件402作前后腔镜构成平行平面谐振腔或平凹腔；石墨烯或碳纳米管可 饱和吸收体201作为激光调Q装置，调Q脉冲激光通过光学元件402输出。 0017 。
18、所述的一种被动调Q的微片激光器，其特征在于：依次包括LD泵浦源601、准直系 统602、部分反射镜603；激光增益介质301与光学元件402将石墨烯或碳纳米管可饱和吸 收体201紧密夹贴在中间，构成的三明治结构；激光增益介质301的泵浦端面镀有对泵浦光 增透同时对激光部分反射的光学膜，其与对激光和泵浦光全反射的光学元件402构成谐振 腔。 0018 LD泵浦源601经准直系统602和部分反射镜603耦合注入激光增益介质301；激 光增益介质301与光学元件402将石墨烯或碳纳米管可饱和吸收体201紧密夹贴在中间， 构成三明治结构；激光增益介质301的泵浦端面镀有对泵浦光增透同时对激光部分反射的。
19、 说 明 书CN 102420385 A CN 102420397 A 3/5页 6 光学膜，其与对激光和泵浦光全反射的光学元件402构成谐振腔；石墨烯或碳纳米管可饱 和吸收体201作为激光调Q装置，调Q脉冲激光从增益介质泵浦端面经部分反射镜603反 射输出。 0019 本发明采用以上技术方案，由于石墨烯、碳纳米管可饱和吸收体厚度在纳米量级、 几乎不影响谐振腔长的特点，使得利用镀膜构成的激光谐振腔腔长只取决于激光增益介质 厚度与腔内光学元件厚度。而使用胶合、光胶或深化光胶的方法将微片激光器器件全固化 为简单紧凑的三明治结构，可有效减小激光器光学体积，便于维护。特别地，石墨烯、碳纳米 管材料可饱。
20、和吸收作用波长覆盖范围宽，利用其作可饱和吸收体进行被动调Q，选用合适的 激光增益介质(e.g Nd:YAG、Nd:YVO 4 、Er:Yb:glass)即可实现不同波长的激光脉冲输出。此 外石墨烯、碳纳米管材料具有良好的导热性，十分有利于腔内器件的导热与散热。同时灵活 应用各种光学器件及其组合，可以进一步实现微片激光器脉冲激光的稳频、倍频、偏振等特 性。 附图说明 0020 图1为本发明的第一实施例的结构示意图 0021 图2为本发明的第二实施例的结构示意图 0022 图3为本发明的第三实施例的结构示意图 0023 图4为本发明的第四实施例的结构示意图 具体实施方式 0024 现结合附图和具体。
21、实施方式对本发明进一步说明。 0025 本发明主要包括：激光增益介质、石墨烯或碳纳米管可饱和吸收体、光学元件以及 泵浦装置。 0026 具体实施方式1 0027 石墨烯作可饱和吸收体的被动调Q掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)全固化微片激光器。 如图2所示，所属结构器件为顺序排列的LD泵浦源601、光学准直耦合系统602、激光增益 介质301、石墨烯可饱和吸收体201、光学元件401。本实施例中LD泵浦源601为波长808nm 光纤耦合输出LD，激光增益介质301为Nd:YAG晶体、石墨烯可饱和吸收体201为石墨烯层 数110层的可饱和吸收体薄膜、，光学元件401为YAG晶体。其中激光增益介质30。
22、1和 光学元件401镀膜：S1镀波长808nm增透、1064nm全反射的二色膜，S2镀波长808nm全反 射、1064nm增透二色膜，S3镀波长1064nm部分反射膜，S4镀波长1064nm增透膜。S1与S3 构成平行平面谐振腔。厚度纳米量级且具有良好导热性的石墨烯可饱和吸收体紧密夹贴于 激光腔内，腔长只取决于激光增益介质301的厚度。将上述激光增益介质301、石墨烯可饱 和吸收体201、光学元件401紧密压合并光胶固化为紧凑的三明治结构，嵌入铜热沉自然冷 却。上述光胶具有对相应波长的高透过率和低吸收率，并有良好的导热性、耐热性和粘结强 度。波长808nm泵浦光由S1耦合进入激光增益介质301。
23、，激发的激光在谐振腔内振荡，经石 墨烯可饱和吸收体201调制后于S3耦合输出波长1064nm的脉冲激光。 0028 具体实施方式2 0029 碳纳米管作可饱和吸收体的被动调Q掺钕钒酸钇晶体(Nd:YVO 4 )微片激光器实现 说 明 书CN 102420385 A CN 102420397 A 4/5页 7 倍频绿光脉冲输出。如图2所示，所述结构器件为顺序排列的LD泵浦源601、光学准直耦 合系统602、激光增益介质301、碳纳米管可饱和吸收体201、光学元件401、光学元件402.。 本实施例中LD泵浦源601为波长808nm光纤耦合输出LD，激光增益介质301为Nd:YVO 4 晶 体，碳。
24、纳米管可饱和吸收体201为碳纳米管的PVC聚合物膜，光学元件401为温度补偿介 质，光学元件402为KTP倍频晶体。其中温度补偿介质的热膨胀系数或光热系数与Nd:YVO 4 晶体相反。其中激光增益介质301和光学元件402镀膜：S1镀波长808nm增透、1064nm全 反射的二色膜，S2镀波长808nm全反射、1064nm增透二色膜，S3镀波长1064nm部分反射、 532nm全反射二色膜，S4镀波长1064nm全反射、532nm增透二色膜。厚度纳米量级且具备 良好导热性的碳纳米管可饱和吸收体紧密夹贴于激光增益介质301和光学元件401之间， 由S1与S3构成平平谐振腔，激光腔长只取决于激光增。
25、益介质301和光学元件401的厚度。 S3与S4构成倍频腔。将上述激光增益介质301、碳纳米管可饱和吸收体201、光学元件401 和光学元件402紧密压合并光胶固化为紧凑的复数三明治结构，嵌入铜热沉自然冷却。上 述光胶具有对相应波长的高透过率和低吸收率，并有良好的导热性、耐热性和粘结强度。波 长808nm泵浦光由S1耦合进入激光增益介质301，激发的激光在谐振腔内振荡，经碳纳米管 可饱和吸收体201调制后于S3耦合输出波长1064nm的脉冲激光。其间由热效应引起的腔 内器件形变被光学元件401修正，使得激光腔长对温度不敏感，进而获得稳频效果。此后， 由光学元件402提供倍频，在S4实现波长53。
26、2nm的脉冲激光输出。 0030 具体实施方式3 0031 石墨烯作可饱和吸收体实现被动调Q的Er:Yb:glass全固化微片激光器。如图3 所示，所述结构器件为顺序排列的LD泵浦源601、激光增益介质301、石墨烯可饱和吸收体 201、光学元件401。本实施例中LD泵浦源601为波长980nm的LD，激光增益介质301为 Er:Yb:glass材料、石墨烯可饱和吸收体201为在光学元件401上生长的单层石墨烯，光学 元件401为6H-SiC晶体。其中激光增益介质301的泵浦端面镀有波长980nm增透、1550nm 全反射二色膜。由于6H-SiC晶体本身折射率较高(n2.6)，故光学元件反射率。
27、为20， 其与激光增益介质301的泵浦端面共同构成平行平面谐振腔。石墨烯直接生长在光学元件 401腔内表面作可饱和吸收体。LD泵浦源601紧贴激光增益介质301的泵浦端面进行直接 端面泵浦。将上述器件紧密压合并光胶固化为紧凑的三明治结构，嵌入铜热沉自然冷却。 上述光胶具有对相应波长的高透过率和低吸收率，并有良好的导热性、耐热性和粘结强度。 980nm激励光经激光增益介质301泵浦端面耦合进入，产生的激光在平平腔内振荡，经石墨 烯可饱和吸收体201调制后由光学元件401耦合输出波长1550nm的脉冲激光。 0032 具体实施方式4 0033 石墨烯作可饱和吸收体实现被动调Q的YLF基质外延生长L。
28、iYErTmHoF晶体全固 化微片激光器。如图1所示，所述结构器件为顺序排列的泵浦源601、光学准直耦合系统 602、部分反射镜603、激光增益介质301、石墨烯可饱和吸收体201、光学元件401。本实施例 中泵浦源601为波长647nm氪激光器，激光增益介质301为YLF基质外延生长LiYErTmHoF 晶体，石墨烯可饱和吸收体201为氧化石墨烯粉末，光学元件401为铜基镀金镜。其中激光 增益介质301泵浦端面镀波长647nm增透、2um部分反射二色膜。部分反射镜603镀波长 647nm增透、2um全反射二色膜。光学元件401对泵浦光、激光全反射，其与激光增益介质 301泵浦端面构成平平谐振。
29、腔。石墨烯可饱和吸收体201被激光增益介质301和光学元件 说 明 书CN 102420385 A CN 102420397 A 5/5页 8 401紧密夹贴于腔内。利用石墨烯材料所具备良好导热性，激光增益介质301产生的热量可 以迅速传递给光学元件401进而得到冷却。使用深化光胶方法将光学元件401、石墨烯可饱 和吸收体201和激光增益介质301固化为简单紧凑的三明治结构。上述光胶具有对相应波 长的高透过率和低吸收率，并有良好的导热性、耐热性和粘结强度。波长647nm泵浦光透过 部分反射镜603耦合进入激光增益介质301，产生的激光在腔内振荡并被石墨烯可饱和吸 收体201调制，最终通过激光增益介质301泵浦端面耦合输出，再经部分反射镜603反射输 出波长2um的脉冲激光。 0034 特别声明，在不脱离所附专利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式和 细节上对本发明所做的任何变化均为本发明的保护范围。 说 明 书CN 102420385 A CN 102420397 A 1/2页 9 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102420385 A CN 102420397 A 2/2页 10 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102420385 A 。