基于BiOCl晶体的激光脉冲调制器及其在全固态激光器中的应用

摘要

本发明涉及基于BiOCl晶体的激光脉冲调制器及其在全固态激光器中的应用，BiOCl激光脉冲调制器由BiOCl晶体制得，BiOCl激光脉冲调制器的全固态激光器包括沿光路依次设置的泵浦源、前腔镜、激光增益介质、所述BiOCl激光脉冲调制器、输出镜。本发明将BiOCl晶体用作激光脉冲调制器，具有以下优势：BiOCl晶体中不含掺杂离子，其作为可饱和吸收体具有高效性、均匀性；BiOCl晶体透过波段为0.4～15μm，在这个波段内都可实现可饱和吸收，可用于可见光至红外波段的激光调制；容易制备，可用气相传输法生长，产率高，单晶性好、尺寸大，易加工，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；具有无毒、稳定性高、禁带宽度相对较小的优点，易于进行脉冲调制。

说明书

技术领域

本发明涉及基于BiOCl晶体的激光脉冲调制器及其在全固态激光器中的应用，属于激光技术领域。

背景技术

随着激光技术的发展，非线性光学在激光领域得到了广泛的应用。基于非线性光学原理的激光调q和锁模技术可以产生不同波长的飞秒和皮秒脉冲激光。脉冲激光具有峰值功率高、能量大等优势，是激光重要的运转模式和发展方向之一，在军事国防、科学研究、医疗卫生等诸多领域有重要应用。调Q和锁模技术根据调制方式可分为主动调制和被动调制，其中被动调制因具有结构紧凑、能耗低、易于实现等优点，受到广泛的关注。可饱和吸收体利用材料的非线性饱和吸收特性实现对光学谐振腔损耗的周期性调制从而产生脉冲激光，是被动调制激光器的核心部件，被广泛应用在调Q、锁模等激光器中。目前常用的可饱和吸收材料有三类：1.半导体材料，如砷化镓或特殊工艺做成的可饱和吸收镜(SESAM)；2.具有特殊离子掺杂的晶体材料，如Cr

金属卤氧化物(MOX)晶体结构多呈现二维层状特征，原子层间由范德华力支撑，因此具有层状生长习性，晶体易加工剥离，是良好的非线性光学材料。其中，BiOCl作为间接带隙半导体，具有较窄的带隙，表现出较高的可见光光催化活性，被广泛应用于光催化中。BiOCl用作光催化剂，具有无毒、稳定性高、禁带宽度相对较小、在水溶液中析氧活性高等优点。然而，到目前为止还未发现BiOC1的可饱和吸收效应。

中国专利CN105958313A公开了基于CrOCl晶体的激光脉冲调制器及其在全固态激光器中的应用，实现了1.06μm和1.34μm的脉冲激光输出。该专利采用气相传输法生长CrOCl晶体，得到的CrOCl晶体在红外波段具有超宽的透过范围(0.8-18μm)和宽带饱和吸收，高损伤阈值和均匀的质量，可以用作宽波段的可饱和吸收体，产生调Q脉冲激光。然而，CrOCl晶体无法实现可见光波段的激光调制。BiOCl晶体透过波段为0.4～15μm，在这个波段内都可实现可饱和吸收，可用于可见光至红外波段的激光调制，而CrOCl晶体不能用于可见波段。此外，CrOCl晶体与BiOCl晶体虽然都具有层状生长习性，但是其晶体结构完全不同：BiOCl晶体的结构为P4/nmm空间群，四方晶系，属于PbClF结构的晶体；而CrOCl晶体的结构为Pmmn空间群，正交晶系，属于FeOCl结构的晶体。因此，不管是在结构上，还是透光波段等非线性光学性质上，BiOCl与CrOCl有着根本的不同。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了基于BiOCl晶体的激光脉冲调制器；

本发明提供了上述激光脉冲调制器在全固态激光器中的应用。

本发明首次将BiOCl晶体作为可饱和吸收体用作激光脉冲调制器，与已有的Cr

术语解释

“增透”：一般指对特定波长的光透过率不低于95％；

“高反射”一般指对特定波长的光反射率不低于99％；

“部分反射”一般指对特定波长的光反射率在30％-99％之间。

本发明的技术方案为：

BiOCl激光脉冲调制器，该调制器为BiOCl晶体。

根据本发明优选的，所述BiOCl晶体厚度为20-200微米，进一步优选50-200微米。

根据本发明优选的，在BiOCl晶体通光面镀有利于激光振荡的增透介质膜。该介质膜可以根据使用需求改变振荡光的反射率，克服不镀膜时反射率不可变等因素带来的缺点，有利于脉冲激光器的设计。

根据本发明，优选的，所述的BiOCl激光脉冲调制器是由BiOCl晶体制得，具体步骤包括：

(1)BiOCl晶体由气相传输法制得，结合其线性光学吸收系数所需初始透过率计算出所需BiOCl晶体厚度；

(2)剥离所需厚度的BiOCl晶体，加工成矩形、方形、圆形等外形规整的器件。

根据本发明，优选的，上述BiOCl晶体的制备方法，具体步骤如下：将纯度99.99％的BiCl

根据本发明，优选的，上述BiOCl晶体，室温下晶胞参数为：

本发明的脉冲调制器件，可用于对可见光到红外的宽波段激光进行调Q和锁模脉冲调制，可产生脉冲激光。

特别优选的，BiOCl脉冲调制器件的应用，用于全固态激光用脉冲调制激光器。

一种基于BiOCl激光脉冲调制器的全固态激光器，包括沿光路依次设置的泵浦源、前腔镜、激光增益介质、所述BiOCl激光脉冲调制器、输出镜。所述的前腔镜和输出镜组成谐振腔，前腔镜镀以对激光波段高反射介质膜，输出镜镀以对激光波段部分反射介质膜。将所述BiOCl激光脉冲调制器放于全固态激光器的谐振腔内，制成调Q器件或锁模器件的激光器。

根据上述的全固态激光用脉冲调制激光器，所述的激光增益介质为半导体、激光晶体、激光陶瓷或激光玻璃等所有能产生激光增益的固体介质，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。优选的，所述激光增益介质为镱掺杂钇铝石榴石Yb:YAG晶体、镱掺杂镥铝石榴石Yb:LuAG晶体、镱掺杂Yb:Lu

根据本发明优选的，所述的泵浦源为半导体激光二极管(LD)或氙灯，提供泵浦能量。泵浦方式为端面泵浦或侧面泵浦。

前腔镜及输出镜组成谐振腔，前腔镜镀以对激光工作波段高反射介质膜，输出镜镀以对激光工作波段反射介质膜。

根据上述的全固态激光用脉冲调制激光器，将所述BiOCl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，并可根据实际需要添加全反镜以改变腔型，相关设计是本领域熟知的技术。

下面就调Q器件或锁模器件的激光器分别详细说明。

1、根据上述的全固态激光用脉冲调制激光器，优选的，基于BiOCl的全固态激光用脉冲调制激光器是端面泵浦调Q激光器：

一种端面泵浦基于BiOCl激光脉冲调制器的调Q激光器，包括沿光路依次设置的泵浦源、光纤耦合系统、聚焦系统、前腔镜、激光增益介质、所述BiOCl激光脉冲调制器、输出镜。

根据本发明优选的，前腔镜及输出镜组成谐振腔，所述谐振腔长度为1-10cm。为了抑制锁模激光的产生，所述谐振腔越短越好，以1cm为最佳。泵浦源发出的泵浦光经光纤耦合系统、聚焦系统和前腔镜输入到激光增益介质中，产生的激光被BiOCl激光脉冲调制器调制，从输出镜一端输出调Q脉冲。

所述泵浦源为发射波长为940nm的激光二极管(LD)；

所述前腔镜为平前腔镜，靠近聚焦系统一端的表面镀以对940nm增透的介质膜，靠近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；

所述激光增益介质为Yb:LuAG单晶光纤，Yb

所述输出镜靠近激光增益介质一端的表面镀以对1.05-1.1μm部分反射(反射率70％-90％)的介质膜，另一端的表面镀以对1.05-1.1μm增透的介质膜。

当增益介质用Yb:LuAG单晶光纤作为1030nn波长输出时，相应的输出镜镀的介质膜也要相应的改变。输出镜为平镜，靠近激光增益介质一端的表面镀以对1.02-1.04μm部分反射(反射率70％-90％)的介质膜，另一端的表面镀以对1.02-1.04μm增透的介质膜。

当增益介质变为Nd:YAG晶体作为1064nm波长输出时,泵浦源为发射波长808nm的激光器,相应的前腔镜和输出镜两边镀的介质膜也要相应的改变。前腔镜为平面镜，靠近泵浦源一端表面镀以对808nm增透的介质膜，靠近谐振腔一端表面镀以对1.05-1.1μm高反射的介质膜；输出镜为平凹镜,半径为10-1000mm，其凹面镀以对1.05-1.1μm部分反射、反射率为70％-99％之间的介质膜,其平面镀以对1.05-1.1μm增透的介质膜。

当增益介质变为Er:Lu

当增益介质变为Tm:Lu

2、根据上述的全固态激光用脉冲调制激光器，优选的，基于BiOCl的全固态激光用脉冲调制激光器是端面泵浦BiOCl锁模激光器：

一种端面泵浦基于BiOCl激光脉冲调制器的锁模激光器，包括沿光路依次设置的泵浦源、光纤耦合系统、聚焦系统、前腔镜、激光增益介质、平凹反射镜、所述BiOCl激光脉冲调制器、输出镜。所述前腔镜、平凹反射镜和输出镜构成V型谐振腔。

泵浦源发出的泵浦光经光纤耦合系统、聚焦系统和前腔镜输入到激光增益介质中，所产生激光被BiOCl激光脉冲调制器调制，最后经输出镜输出锁模脉冲。

根据本发明优选的，所述泵浦源为发射波长976nm的激光二极管(LD)；前腔镜为平面镜，靠近聚焦系统一端的表面镀以对976nm增透的介质膜，靠近激光增益介质的一端的表面镀以对1.02-1.1μm高反射的介质膜；

所述激光增益介质是Yb:YAG晶体；入射端面镀有对976nm、1.02-1.1μm增透的介质膜，出射端面上镀以对1.02-1.1μm增透的介质膜。

所述平凹反射镜的凹面镀以对1.02-1.1μm高反射的介质膜；

所述输出镜为平面输出镜，靠近V型谐振腔一端的表面镀以对1.02-1.1μm反射率为97％的部分反射介质膜，另一端表面镀以对1.02-1.1μm增透的介质膜。

当增益介质变为Nd:YAG作为1064nm波长输出时，泵浦源为发射波长808nm的激光器，相应的前腔镜和输出镜两边镀的介质膜也要相应的改变。前腔镜为平面镜，靠近泵浦源一端表面镀以对808nm增透的介质膜，靠近谐振腔一端表面镀以对1.05-1.1μm高反射的介质膜；输出镜为平凹镜,半径为10-1000mm，其凹面镀以对1.05-1.1μm部分反射、反射率为70％-99％之间的介质膜,其平面镀以对1.05-1.1μm增透的介质膜。

3、根据上述的全固态激光用脉冲调制激光器，优选的，基于BiOCl的全固态激光用脉冲调制激光器是侧面泵浦BiOCl调Q激光器：

一种氙灯侧面泵浦基于BiOCl激光脉冲调制器被动调Q脉冲激光器，包括沿光路依次设置的前腔镜、泵浦源、激光增益介质、所述BiOCl激光脉冲调制器、输出镜，泵浦源为氙灯。

所述前腔镜为平面镜，靠近激光增益介质的一端表面镀以对1.02-1.1μm高反射的介质膜；

所述激光增益介质为Yb:YAG晶体；

所述输出镜靠近激光增益介质一端表面镀以对1030nm反射率为60％的介质膜，另一端镀以对1030nm增透的介质膜。

通过BiOCl激光脉冲调制器的调制可实现1030nm调Q激光输出。

本发明提供的BiOCl脉冲调制器件可用于对产生可见光、红外或紫外的全固态激光进行调Q和锁模，包括了半导体、激光晶体、激光陶瓷以及激光玻璃产生的激光，可实现宽波段脉冲激光的调制。加大泵浦功率可以获得脉冲激光输出。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供的BiOCl激光脉冲调制器是全新的金属卤氧化物材料制成的光学可饱和吸收器件。

2、BiOCl晶体单晶性好，不含掺杂离子，保证了可饱和吸收效应的高效性和均匀性。

3、工作波段宽。BiOCl晶体透过波段为0.4～15μm，覆盖可见光至近红外波段，对于此波段内任意波长的激光均有调制作用。

4、BiOCl一般用于化妆品和光催化中，具有无毒、稳定性高的优点，禁带宽度相对较小，易于进行脉冲调制。

5、制作简单、成本低，便于产业化以及批量生产。其特有的片状晶体形貌及光滑表面使其加工及其便利。

附图说明

图1为本发明测试用的开孔Z扫描实验装置；其中，1、泵浦源，2、分光镜，3、聚焦透镜，4、BiOCl晶体，5、第一能量计，6、第二能量计。

图2为本发明532nm开孔Z扫描实验的测试结果示意图。

图3为本发明1064nm开孔Z扫描实验的测试结果示意图。

图4为端面泵浦基于BiOCl激光脉冲调制器的调Q激光器结构示意图；其中，7、泵浦源，8、光纤耦合系统，9、聚焦系统，10、前腔镜，11、激光增益介质，12、BiOCl激光脉冲调制器，13、输出镜。

图5(a)所示，为当激光工作波长为1047nm时，图4所述调Q激光器中BiOCl激光脉冲调制器的输出光谱示意图。

图5(b)所示，为当激光工作波长为1047nm时，图4所述调Q激光器中BiOCl激光脉冲调制器的平均输出功率示意图。

图5(c)所示，为当激光工作波长为1047nm时，图4所述调Q激光器中BiOCl激光脉冲调制器的脉冲宽度。

图5(d)所示，为当激光工作波长为1047nm时，图4所述调Q激光器中BiOCl激光脉冲调制器的重复频率示意图。

图5(e)所示，为当激光工作波长为1047nm时，图4所述调Q激光器中BiOCl激光脉冲调制器的单脉冲能量示意图。

图5(f)所示，为当激光工作波长为1047nm时，图4所述调Q激光器中BiOCl激光脉冲调制器的峰值功率示意图。

图5(g)所示，为当激光工作波长为1047nm时，图4所述调Q激光器中BiOCl激光脉冲调制器的脉冲序列及波形示意图。

图6(a)所示，为当激光工作波长为1033nm时，图4所述调Q激光器中BiOCl激光脉冲调制器的输出光谱示意图。

图6(b)所示，为当激光工作波长为1033nm时，图4所述调Q激光器中BiOCl激光脉冲调制器的平均输出功率示意图。

图6(c)所示，为当激光工作波长为1033nm时，图4所述调Q激光器中BiOCl激光脉冲调制器的脉冲宽度。

图6(d)所示，为当激光工作波长为1033nm时，图4所述调Q激光器中BiOCl激光脉冲调制器的重复频率示意图。

图6(e)所示，为当激光工作波长为1033nm时，图4所述调Q激光器中BiOCl激光脉冲调制器的单脉冲能量示意图。

图6(f)所示，为当激光工作波长为1033nm时，图4所述调Q激光器中BiOCl激光脉冲调制器的峰值功率示意图。

图6(g)所示，为当激光工作波长为1033nm时，图4所述调Q激光器中BiOCl激光脉冲调制器的脉冲序列及波形示意图。

图7为端面泵浦基于BiOCl激光脉冲调制器的锁模激光器结构示意图；其中，14、平凹反射镜，15、输出镜。

图8为氙灯侧面泵浦基于BiOCl激光脉冲调制器被动调Q脉冲激光器结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图详细说明本发明的实施方式，对本发明作进一步限定，但不限于此。其中在对附图的说明中对于相同的要素赋予相同的符号,省略重复的描述。

实施例1

BiOCl激光脉冲调制器，是由BiOCl晶体制得，具体步骤包括：

(1)BiOCl晶体由气相传输法制得，结合其线性光学吸收系数所需初始透过率计算出所需BiOCl晶体厚度；

(2)剥离所需厚度的BiOCl晶体，加工成矩形、方形、圆形等外形规整的器件；

根据本发明优选的，所述BiOCl晶体厚度为20-200微米。进一步优选50-200微米。

根据本发明优选的，在BiOCl晶体通光面镀有利于激光振荡的增透介质膜。该介质膜可以根据使用需求改变振荡光的反射率，克服不镀膜时反射率不可变等因素带来的缺点，有利于脉冲激光器的设计。

上述BiOCl晶体的制备方法，具体步骤如下：将纯度99.99％的BiCl3与纯水1:1充分反应，将得到的溶液抽滤干燥，得到BiOCl粉末，进行真空高温煅烧提纯。随后放置在真空密封的石英管中，以HCl为传输介质，将石英管加热，设置低温端与高温端形成温度梯度进行晶体生长，BiOCl晶体生长完毕后，降至室温。

本实施例的脉冲调制器件应用于实施例2中进行Z扫描测试，应用于实施例3、实施例4、实施例6中作为全固态激光用脉冲调制激光器的调Q器件，应用于实施例5作为锁模器件。

实施例2

本发明在开孔Z扫描测试中首次发现，BiOCl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，包括沿光路依次设置的泵浦源1、分光镜2、聚焦透镜3、BiOCl晶体4、第一能量计5、第二能量计6。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BiOCl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，BiOCl晶体在轨道上沿光轴方向直线移动，当BiOCl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。

泵浦源1为自主搭建的532nm脉冲激光器，由锁模Nd：YAG脉冲激光器(美国Continuum公司生产，型号PY61C-10)经过倍频实现(波长532nm,脉冲宽度10ps,工作频率200Hz)，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，BiOCl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148％，表明BiOCl晶体在532nm激光照射下通过焦点位置附近时产生了饱和吸收现象。

当泵浦源1为1064nm脉冲激光器时，得到的实验结果如图3所示，表明BiOCl晶体在在1064nm激光照射下通过焦点位置附近时产生了反饱和吸收现象。

本发明中的BiOCl晶体具有强的非线性光学特性，由于不属于掺杂晶体，其饱和吸收性更加高效均匀，可作为被动调制元件产生高峰值功率的脉冲激光。

实施例3

一种端面泵浦基于BiOCl激光脉冲调制器的调Q激光器。

如图4所示，包括沿光路依次安放的泵浦源7、光纤耦合系统8、聚焦系统9、前腔镜10、激光增益介质11、所述BiOCl激光脉冲调制器12、输出镜13。

泵浦源7发出的泵浦光经光纤耦合系统8、聚焦系统9和前腔镜10输入到激光增益介质中11，产生的激光被BiOCl激光脉冲调制器12调制，从输出镜13一端输出调Q脉冲。

泵浦源7为发射波长为940nm的激光二极管(LD)；前腔镜10及输出镜13组成第二谐振腔，第二谐振腔长度为19mm；前腔镜10为平前腔镜，直径为25.4mm，靠近聚焦系统9一端的表面镀以对940nm增透的介质膜，靠近激光增益介质11一端的表面镀以对1.05-1.1μm高反射的介质膜；输出镜13靠近激光增益介质11一端的表面镀以对1.05-1.1μm部分反射的介质膜，在1.05-1.1μm处反射率大约为90％，另一端的表面镀以对1.05-1.1μm增透的介质膜。

激光增益介质为Yb:LuAG单晶光纤，Yb

所述BiOCl激光脉冲调制器12由实施例1制得，厚度为0.175mm。

该激光器可利用BiOCl激光脉冲调制器实现波长1047nm的调Q激光输出。

本实施例所述调Q激光器中BiOCl激光脉冲调制器的输出光谱如图5(a)所示，中心波长为1047nm。平均输出功率如图5(b)所示，最大平均输出功率1.794W。脉冲宽度如图5(c)所示，最窄脉宽为171.2ns。重复频率如图5(d)所示，最高重复频率401.1kHz。单脉冲能量如图5(e)所示，最高单脉冲能量4.80μJ。峰值功率如图5(f)所示，最高峰值功率28.02W。脉冲序列及波形如图5(g)所示。

实施例4

根据实施例3所述的一种端面泵浦基于BiOCl激光脉冲调制器的调Q激光器，其区别在于：

输出镜13直径为25.4mm，靠近激光增益介质11一端的表面镀以对1.02-1.04μm部分反射的介质膜，在1.02-1.04μm处反射率大约为70％，另一端的表面镀以对1.02-1.04μm增透的介质膜。前腔镜10及输出镜13组成第二谐振腔，谐振腔长度为20mm。

该激光器可利用BiOCl激光脉冲调制器实现波长1033nm的调Q激光输出。

本实施例所述调Q激光器中BiOCl激光脉冲调制器的输出光谱如图6(a)所示，中心波长为1033nm。平均输出功率如图6(b)所示，最大平均输出功率1.730W。脉冲宽度如图6(c)所示，最窄脉宽为214.5ns。重复频率如图6(d)所示，最高重复频率408.8kHz。单脉冲能量如图6(e)所示，最高单脉冲能量4.23μJ。峰值功率如图6(f)所示，最高峰值功率19.73W。脉冲序列及波形如图6(g)所示。

实施例5

一种端面泵浦基于BiOCl激光脉冲调制器的锁模激光器。

如图7所示，包括沿光路依次安放的泵浦源7、光纤耦合系统8、聚焦系统9、前腔镜10、激光增益介质11、平凹反射镜14、所述BiOCl激光脉冲调制器12、输出镜15，为V型谐振腔。

泵浦源7发出的泵浦光经纤耦合系统8、聚焦系统9和前腔镜10输入到激光增益介质11中，所产生激光被BiOCl激光脉冲调制器12调制，最后经输出镜5输出锁模脉冲。

泵浦源7为发射波长976nm的激光二极管(LD)；前腔镜10为直径为20mm的平面镜，靠近聚焦系统9一端的表面镀以对976nm增透的介质膜，靠近激光增益介质11的一端的表面镀以对1.02-1.1μm高反射的介质膜；所述平凹反射镜14的凹面镀以对1.02-1.1μm高反射的介质膜；输出镜15为平面输出镜，近V型谐振腔一端的表面镀以对1030nm反射率为97％的部分反射介质膜，另一端表面镀以对1030nm增透的介质膜。

激光增益介质11是Yb:YAG晶体，Yb

本实施例的锁模器件激光器利用BiOCl晶体实现锁模激光输出,加大泵浦功率超过它的泵浦阈值后可直接输出锁模脉冲激光。

实施例7

一种氙灯侧面泵浦基于BiOCl激光脉冲调制器被动调Q脉冲激光器.

如图8所示，包括沿光路依次安放的前腔镜10、泵浦源16、激光增益介质11、所述BiOCl激光脉冲调制器12、输出镜13，泵浦源16为氙灯。

前腔镜10为平面镜，靠近激光增益介质11的一端表面镀以对1.02-1.1μm高反射的介质膜；输出镜13靠近激光增益介质11一端表面镀以对1030nm反射率为60％的介质膜另一端镀以对1030nm增透的介质膜。

激光增益介质11为Yb:YAG晶体，Yb

通过BiOCl激光脉冲调制器12的调制可实现1030nm调Q激光输出。