单手性单壁碳纳米管饱和吸收的红光脉冲固体激光器及工作方法

摘要

本发明涉及激光技术领域，提供一种单手性(7，5)单壁碳纳米管饱和吸收的红光脉冲固体激光器及工作方法，该红光脉冲固体激光器由半导体激光二极管泵浦源、光聚焦耦合系统、激光谐振腔、激光增益介质和Q调制器件组成，其中半导体激光二极管泵浦源为GaN蓝光二极管，激光增益介质为Pr3+:YLF晶体，Q调制器件为单手性(7，5)单壁碳纳米管饱和吸收体，对应吸收峰在640nm处。在激光显示技术领域，相比于传统的1.3μm倍频红光激光器，本发明中红光脉冲固态激光器更具备结构简单、紧凑，输出稳定、高效，成本低以及易于小型化和便捷化等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体涉及单手性单壁碳纳米管饱和吸收的红光脉冲固体激光器及工作方法。

背景技术

激光显示技术因具备色纯度高、显示画面尺寸灵活多变、色域宽以及无有害电磁辐射等优点，而被广泛应用于数码影院、公众信息大屏幕、教学演示以及虚拟现实模拟等众多领域。三基色激光器作为激光显示技术的关键部分，成为激光技术领域的研究热点。相比于成熟的绿光激光器、功率要求较小的蓝光激光器，高稳定性、结构紧凑、高功率的红光激光器成为研究的重点。最常用的产生红色激光的传统方式是1.3μm倍频激光器：利用激光二极管泵浦掺钕晶体(Na:YAG、Nd:YVO

2004年，A.rchter和E.Heumann首次采用中心波长为442nm的GaN激光二极管(LD)泵浦Pr

碳作为地球生命之源，作为构成一切有机生命体的骨架元素，它所具有多样的电子轨道特性(SP，SP

低维材料单壁碳纳米管作为一种类石墨烯碳材料，它可视为由单层石墨烯卷曲而成的一维无缝空心圆柱体纳米管，因有着与石墨烯相同的基本结构单元-由SP

发明内容

基于上述背景，本发明的目的是解决当前红光脉冲激光器结构复杂、系统庞大以及稳定性低的技术难题，而提供一种基于低维材料单壁碳纳米管饱和吸收实现稳定性高、结构简单紧凑的红光脉冲全固体激光器及工作方法，推动可见脉冲固态激光器的进一步发展。

术语说明：

Pr

YAG，钇铝石榴石的简称，其分子式为Y

AR：增透，对某波长的光透过率不低于99.8％；

AR@430-490nm：430-490nm波段增透膜的通用简称；

HT：高透，对某波长的光透过率不低于99.5％；

HR：高反，对某波长的光反射率不低于99.8％。

为了实现上述目的1，本发明采取如下技术方案：

一种单手性单壁碳纳米管饱和吸收的红光脉冲固体激光器，包括半导体激光二极管泵浦源、光聚焦耦合系统、激光增益介质、激光谐振腔和Q调制器件，其特征为，半导体激光二极管泵浦源、光聚焦耦合系统、激光谐振腔依次排列；激光谐振腔包括输入镜和耦合输出镜，输入镜和耦合输出镜分别设置于激光增益介质两端，Q调制器件插入到激光谐振腔，紧贴在激光增益介质后面，激光增益介质与Q调制器件在激光谐振腔内按光路方向依次排列；光聚焦耦合系统包括平凹柱面镜、平凸柱面镜以及平凸聚焦透镜，且平凹柱面镜、平凸柱面镜以及平凸聚焦透镜依次排列。

优选地，所述激光增益介质为Pr

优选地，Q调制器件是单壁碳纳米管饱和吸收体，经由化学气相沉积法实现手性受控生长，其手性为(7，5)，对应吸收峰在640nm处，对应管径较小，分布范围为0.79-0.92nm，基于单手性优点，单壁碳纳米管不仅提高了其载流子迁移率(>10

优选地，单手性(7，5)单壁碳纳米管饱和吸收体是由经手性控制生长的单壁碳纳米管溶液旋涂在YAG或者石英基片上制备而成，YAG或者石英基片通光面为正方形，其边长范围为1-5mm。

优选地，半导体激光二极管泵浦源为GaN蓝光二极管泵浦源。

优选地，GaN蓝光二极管泵浦源输出功率为0-3.5W，输出波长为440-446nm，其中心波长为442nm，为激光增益介质提供泵浦能量，由于Pr

优选地，所述光聚焦耦合系统焦距为25-75mm，将泵浦光整形聚焦到激光增益介质上。

优选地，Pr

优选地，所述激光谐振腔为直型谐振腔，腔长分布为2-100mm。

优选地，所述激光谐振腔中的输入镜为平面镜，输入面镀AR@430-490nm，激光腔面镀HT@430-490nm，HR@550-760nm；所述激光谐振腔中的耦合输出镜为平面镜或者平凹镜，其激光腔面镀PR@550-760nm，HT@430-790nm，输出面镀AR@565-760nm。

优选地，所述输入镜与耦合输出镜进一步简化为在Pr

为了实现上述目的2，本发明采取如下技术方案：

由GaN蓝光二极管泵浦源发出蓝色泵浦光经由光聚焦耦合系统聚焦到激光增益介质Pr

基于上述连续激光谐振腔，将单手性(7，5)单壁碳纳米管饱和吸收体插入到激光谐振腔，并紧贴在激光增益介质后，并调整其位置与角度；由于单手性(7，5)单壁碳纳米管饱和吸收体的饱和吸收特性，激光谐振腔的品质因数Q值被调低，激光无法振荡；在这种状态下，持续增加泵浦光，激光谐振腔内反转粒子数不断积累，当积累到一定程度后，单手性(7，5)单壁碳纳米管饱和吸收体对于红光激光的吸收突然降低，Q值被迅速调高，腔内粒子数密度明显高于阈值反转粒子数密度，形成激光振荡，并且在短时间内反转粒子数被迅速消耗殆尽，实现红光脉冲激光的稳定输出。

本发明所带来的有益技术效果：

(1)本发明中激光器采用GaN蓝光LD直接泵浦方式。LD的输出中心波长为442nm，与增益介质Pr

(2)本发明中激光器采用被动Q调制方式。相比主动Q调制方式，被动Q调制方式无需高压、电光驱动器或者射频调制器等复杂结构，只需选择合适的饱和吸收体作为Q调制器件，使红光脉冲激光器结构简单紧凑，设计简单，成本低。

(3)本发明中激光器采用单手性(7，5)单壁碳纳米管饱和吸收体作为Q调制器件材料。通过化学气相沉淀法手性控制生长单手性(7，5)单壁碳纳米管饱和吸收体，得益于单手性的特点，单壁碳管中载流子的传输效率得到大大提升，能带结构趋向均一化，使碳管在吸收峰640nm处具有极窄的吸收带宽与极强的饱和吸收，大大减小单壁碳管饱和吸收体的损耗，实现高稳定性与高光束质量的红光脉冲激光输出。

(4)本发明中采用平凹或者平直型谐振腔。进一步简化为在激光增益介质Pr

附图说明

图1为一种单手性单壁碳纳米管饱和吸收的红光脉冲激光器结构示意图；

其中，1为GaN蓝光二极管泵浦源，2为光聚焦耦合系统，3为输入镜，4为Pr

图2为单壁碳纳米管饱和吸收体结构示意图；

其中，7为单壁碳纳米管去氧胆酸钠溶液，8为YAG或石英基片；

图3为实现红光脉冲激光输出时，在透过率为5％的耦合输出镜下，脉冲宽度与重复频率随吸收泵浦功率变化曲线图(a)，脉冲能量与峰值功率随吸收泵浦功率变化曲线图(b)，单脉冲与脉冲序列曲线图(c)；

图4为实现红光脉冲激光输出时，在透过率为3％的耦合输出镜下，脉冲宽度与重复频率随吸收泵浦功率变化曲线图(a)，脉冲能量与峰值功率随吸收泵浦功率变化曲线图(b)，单脉冲与脉冲序列曲线图(c)；

图5为实现红光脉冲激光输出时，在透过率为1％的耦合输出镜下，脉冲宽度与重复频率随吸收泵浦功率变化曲线图(a)，脉冲能量与峰值功率随泵浦功率变化曲线图(b)，单脉冲与脉冲序列曲线图(c)；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

一种单手性单壁碳纳米管饱和吸收的红光脉冲固体激光器，如图1所示，包括GaN蓝光二极管泵浦源1、光聚焦耦合系统2、Pr

如图2所示，单手性(7，5)单壁碳纳米管饱和吸收体5是由经手性控制生长的单壁碳纳米管去氧胆酸钠溶液7旋涂在YAG或者石英基片8上制备而成，YAG或者石英基片8通光面为正方形，选用了通光面为1*1mm

具体地，GaN蓝光二极管泵浦源1输出功率为0-3.5W，输出波长为440-446nm，其中心波长为442nm，由于Pr

具体地，光聚焦耦合系统2为透镜组，其焦距为25.4mm，将泵浦光聚焦耦合到Pr

具体地，激光谐振腔为直型谐振腔，腔长分布为2-100mm；激光谐振腔中的输入镜3和耦合输出镜6均有镀膜，输入镜3为平面镜，输入面镀AR@430-490nm，激光腔面镀HT@430-490nm，HR@550-760nm；所述激光谐振腔中的耦合输出镜6为平面镜或者平凹镜，其激光腔面镀PR@550-760nm，HT@430-790nm，输出面镀AR@565-760nm，并优选耦合输出镜6为平凹镜，曲率半径R＝-100，其部分透过率为T＝1％，3％，5％；

具体地，Pr

具体地，单手性(7，5)单壁碳纳米管饱和吸收体5，对应吸收峰在640nm处，对应管径较小，分布范围为0.79-0.92nm，基于单手性优点，单壁碳纳米管不仅提高了其载流子迁移率(>10

进一步的，一种单手性单壁碳纳米管饱和吸收的红光脉冲固体激光器的工作方法，包括如下步骤：

首先，在不同透过率(T＝1％,3％,5％)下，GaN激光二极管泵浦源1产生的蓝光泵浦光经由光聚焦耦合系统2聚焦到到激光增益介质Pr

其次，在连续激光最优输出条件下，将单手性(7，5)单壁碳纳米管饱和吸收体5插入腔内，并紧贴在Pr

(1)选用透过率为5％的耦合输出镜6时，其脉冲宽度和重复频率随着输入泵浦功率变化曲线如图3(a)所示，随着吸收泵浦功率的增加，脉冲宽度随之线性减小，而重复频率呈相反趋势，并得到最短脉宽为200ns和最高重频为238.1kHz；相应的峰值功率和脉冲能量与吸收泵浦功率的函数关系如图3(b)所示，两者均随泵浦功率增加而增加，最高峰值功率为844mW和最大脉冲能量为169nJ。其不同重频下脉冲序列与单脉冲曲线如3(c)所示，由图可知，激光器输出平整稳定的红光脉冲激光。

(2)选用透过率为3％的耦合输出镜6时，脉宽和重频随着输入泵浦功率变化曲线如图4(a)所示，随着吸收泵浦功率的线性增加，脉宽随之线性减小而重频随之线性增大，并最终得到的最短脉宽为240ns和最高重频为227.3kHz；对应的峰值功率和脉冲能量与输入泵浦功率的函数关系如图4(b)所示，得到了最高峰值功率572mW和最大脉冲能量137nJ。其不同重频下脉冲序列与单脉冲曲线如4(c)所示，由图可知，激光器输出平整稳定的红光脉冲激光。

(3)选用透过率为1％的耦合输出镜6时，脉宽和重频与输入泵浦功率函数关系如图5(a)所示，变化趋势与在其他透过率下相似，最短脉宽和最高重频分别为280ns以及253.8kHz；而对应的最高峰值功率和最大脉冲能量分别为373mW和104nJ，从图5(b)可知，峰值功率与脉冲能量随输入泵浦功率线性增长。图5(c)展示不同重频下脉冲序列与单脉冲曲线。

以上为本实施例的完整实现过程。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。