CN103151685A - 氧化石墨烯调q拉曼光纤激光器 - Google Patents

氧化石墨烯调q拉曼光纤激光器 Download PDF

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Abstract

一种氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器，属于激光技术和非线性光学领域。本发明主要包括泵浦源（1）、波分复用光纤耦合器（2）、拉曼光纤（3）、环形器（4）、氧化石墨烯可饱和吸收体（5）、输出耦合器（6）和偏振控制器（7）等，采用环形腔结构、线形腔结构或混合腔结构。本发明采用氧化石墨烯可饱和吸收体作为被动调Q器件，该种新型调Q器件具有价格低廉，制备简单等优势。整个装置采用全光纤结构，结合了氧化石墨烯材料的可饱和吸收性质和光纤的拉曼效应，可以实现波长灵活的、高稳定性的脉冲激光输出，是一种高效、紧凑的新型光源。

Description

氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器
技术领域
本发明涉及一种氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器,属于激光技术以及非线性光学领域。
背景技术
拉曼光纤激光器是利用光纤中的非线性效应（受激拉曼散射）产生激光输出。这类激光器的输出波长非常灵活，通过泵浦光波长、拉曼增益介质的选择，结合级联技术，可以实现特殊波长输出，极大地满足了探测、传感、生物、医学等领域对波长的要求。
同时，利用调Q技术可以使拉曼光纤激光器产生纳秒到微秒量级的高能量激光脉冲。相对于声光调Q、电光调Q等主动调Q方法，被动调Q大大降低了激光器的制造成本以及结构复杂性，有益实现产业化。由于传统的被动调Q器件（包括可饱和吸收晶体、半导体可饱和吸收镜等）存在价格昂贵、制备工艺复杂以及光谱响应范围窄等缺点，因此基于碳纳米管和石墨烯材料的调Q光纤激光器成为了研究的热点。虽然碳纳米管和石墨烯都具有很宽的光谱响应范围，但前者是通过将不同作用波长（即不同直径）的碳纳米管混合在一起得到的，导致插入损耗大；后者的产生是由于其本身所特有零带隙的狄拉克锥结构（即价带和导带的顶点相交于费米能级处,且在费米能级附近其载流子呈现线性的色散关系）。正是由于石墨烯的这一独特的非线性光学特性使之成为备受瞩目的新型可饱和吸收材料。
但是，由于石墨烯是由不含任何不稳定键的苯六元环组合而成的二维晶体,化学稳定性高,难溶于水及常用的有机溶剂,这给石墨烯的制备和应用造成了极大的困难。而氧化石墨烯由于存在大量的含氧官能团,从而表现出很强的亲水性,可以高度分散在水溶液或其他有机溶剂中。这一特性使得氧化石墨烯在制成光学器件方面具有更高的灵活性和可加工性（例如可以利用旋涂机制作不同衬底的氧化石墨烯薄膜；或将氧化石墨烯溶液注入到空心的光子晶体光纤中）。另一方面，虽然含氧官能团的引入破坏了石墨烯的狄拉克锥结构，使其导电性能显著降低，但大量研究表明氧化石墨烯依然具有可与石墨烯相媲美的极快的恢复时间和极强的可饱和吸收特性。此外，氧化石墨烯可以通过化学剥离的方法从天然石墨材料中大量制得，成本低廉，且制备工艺比石墨烯更为简单。这些优势使得氧化石墨烯在脉冲激光器领域有重大的研究意义和应用前景。
发明内容
由于氧化石墨烯可饱和吸收体价格低廉、制备简单，且具有极强亲水性和可饱和吸收性，本发明采用氧化石墨烯可饱和吸收体作为被动调Q器件，结合光纤的拉曼效应，实现了波长灵活的、高稳定性、高能量的脉冲激光输出。该发明在通信传感、生物医疗和材料加工等多个领域有着广泛的应用前景。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器，其特征在于：主要包括泵浦源（1）、波分复用光纤耦合器（2）、拉曼光纤（3）和氧化石墨烯可饱和吸收体（5），同时还包括环形器（4）、输出耦合器（6）、偏振控制器（7）、隔离器（8）、光纤布拉格光栅（9）、反射镜（10）、合束器（11）、稀土掺杂光纤（12）中的一项或几项；所述的氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器采用环形腔结构、线形腔结构或混合腔结构。
采用环形腔结构时优选为：泵浦源（1）通过波分复用光纤耦合器（2）将泵浦光注入拉曼光纤（3）；拉曼光纤（3）依次连接环形器（4）、输出耦合器（6）和偏振控制器（7），最后连接波分复用光纤耦合器（2）的信号端，形成环形的激光谐振腔；氧化石墨烯可饱和吸收体（5）位于环形器（4）第二端口，用于实现被动调Q；产生的拉曼信号光通过输出耦合器（6）输出。（如图1所示）
采用环形腔结构时优选为：泵浦源（1）通过波分复用光纤耦合器（2）将泵浦光注入拉曼光纤（3）；拉曼光纤（3）依次连接氧化石墨烯可饱和吸收体（5）、输出耦合器（6）和隔离器（8），最后连接波分复用光纤耦合器（2）的信号端，形成环形的激光谐振腔；氧化石墨烯可饱和吸收体（5）用于实现被动调Q；产生的拉曼信号光通过输出耦合器（6）输出。（如图2所示）
采用线形腔结构时优选为：泵浦源（1）连接波分复用光纤耦合器（2）的泵浦输入端；波分复用光纤耦合器（2）的公共端依次连接光纤布拉格光栅（9）、拉曼光纤（3）和氧化石墨烯可饱和吸收体（5）；光纤布拉格光栅（9）和氧化石墨烯可饱和吸收体（5）之间形成激光谐振腔，产生的拉曼信号光通过波分复用光纤耦合器（2）的信号端输出。（如图3所示）
采用线形腔结构时优选为：泵浦源（1）连接波分复用光纤耦合器（2）的泵浦输入端；波分复用光纤耦合器（2）公共端依次连接拉曼光纤（3）和光纤布拉格光栅（9）；氧化石墨烯可饱和吸收体（5）位于波分复用光纤耦合器（2）的信号端，与光纤布拉格光栅（9）之间形成激光谐振腔，产生的拉曼信号光通过光纤布拉格光栅（9）的另一端输出。（如图4所示）。
采用线形腔结构时优选为：泵浦源（1）连接波分复用光纤耦合器（2）的泵浦输入端；波分复用光纤耦合器（2）公共端依次连接拉曼光纤（3）、输出耦合器（6）和反射镜（10）；氧化石墨烯可饱和吸收体（5）位于波分复用光纤耦合器（2）的信号端，与反射镜（10）之间形成激光谐振腔，产生的拉曼信号光通过输出耦合器（6）输出。（如图5所示）。
采用混合腔结构时优选为：泵浦源（1）通过合束器（11）将波长为λ0的泵浦光注入稀土掺杂光纤（12）中；稀土掺杂光纤（12）依次连接第一波分复用光纤耦合器（2）、拉曼光纤（3）、第二波分复用光纤耦合器（2）和隔离器（8），最后连接合束器（11）的信号端，形成环形的激光谐振腔，产生波长为λ1的激光（λ1由稀土掺杂光纤的掺杂元素决定）；拉曼光纤（3）在波长为λ1的激光泵浦下，产生波长为λ2的拉曼信号光（λ2由泵浦激光波长λ1和拉曼光纤的拉曼增益谱决定）；氧化石墨烯可饱和吸收体（5）依次连接、第一波分复用光纤耦合器（2）、拉曼光纤（3）、第二波分复用光纤耦合器（2）和光纤布拉格光栅（9），形成线形的拉曼激光谐振腔，产生的拉曼信号光通过光纤布拉格光栅（9）的另一端输出。（如图6所示）
所述的泵浦源为半导体激光器、固体激光器或光纤激光器，输出泵浦光的中心波长λ0的范围为：500nm<λ0<5000nm。
所述的拉曼光纤为单模光纤、色散补偿光纤、色散位移光纤、高非线性光纤、锗硅酸盐光纤、磷酸盐光纤、碲化物光纤、氟化物光纤或硫化物光纤。
所述的氧化石墨烯可饱和吸收体为包含氧化石墨烯的物质，氧化石墨烯可饱和吸收体为固态、胶态或液态的氧化石墨烯、或为氧化石墨烯复合物、或为化学改性的氧化石墨烯；氧化石墨烯复合物为采用常规方法制备的有机物或无机物与氧化石墨烯的复合物，如氧化石墨烯和乙醇复合物、氧化石墨烯和DNA复合物，且与复合物中氧化石墨烯的含量无关；化学改性的氧化石墨烯为通过常规化学方法使得氧化石墨烯去除或增加官能团的氧化石墨烯。
所述的氧化石墨烯可饱和吸收体为透射式或反射式的氧化石墨烯可饱和吸收体；制备方法包括：将氧化石墨烯沉积在镀金反射镜、镀银反射镜或镀介质反射镜上,或将氧化石墨烯沉积或吸附在光纤端面,或将氧化石墨烯置于光纤侧面抛光的凹槽区或环形拉锥区,或将氧化石墨烯溶液充入空心光子晶体光纤中。
所述的稀土掺杂光纤为掺有一种或多种稀土元素（如铒、镱、钬、铥等）的光纤。
本发明氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器具有以下优点：
1、本发明结合光纤的拉曼效应，可以输出波长灵活的、高稳定性的、高能量的脉冲激光，可以满足实际应用需求。
2、本发明采用被动调Q技术产生激光超短脉冲，不需要外界附加的调制源，结构简单，易于实现全光纤化。
3、本发明采用氧化石墨烯可饱和吸收体作为锁模器件。氧化石墨烯可以通过化学剥离的方法从天然石墨材料中大量制得，成本低廉，且制备工艺比石墨烯更为简单。此外，氧化石墨烯具有极强的亲水性，大大降低了调Q器件的制备难度，增强了使用的灵活性。
4、本发明中采用稀土掺杂光纤和拉曼光纤共同构成的混合腔结构，可以使得泵浦光被循环利用，极大地提高了拉曼激光器的输出功率和效率。
附图说明
图1是本发明氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器实施例1的结构示意图。
图2是本发明氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器实施例2的结构示意图。
图3是本发明氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器实施例3的结构示意图。
图4是本发明氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器实施例4的结构示意图。
图5是本发明氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器实施例5的结构示意图。
图6是本发明氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器实施例6的结构示意图。
图中：1、泵浦源，2、波分复用光纤耦合器，3、拉曼光纤，4、环形器，5、氧化石墨烯可饱和吸收体，6、输出耦合器，7、偏振控制器，8、隔离器，9、光纤布拉格光栅，10、反射镜，11、合束器，12、稀土掺杂光纤。
具体实施方式
下面结合图示1-6对本发明作进一步说明，但不仅限于以下几种实施例。
实施例1
图1是本发明氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器实施例1的结构示意图。泵浦源（1）为中心波长1540nm的光纤激光器；波分复用光纤耦合器（2）的工作波长为1540/1650nm，用于耦合1540nm泵浦光和1650nm的拉曼信号光；拉曼光纤（3）为长飞公司生产的高非线性光纤，拉曼频移为13.2THz；环形器（4）用于保证拉曼信号光在腔内单向传输（光只能单向顺序通过环形器的三个端口）；氧化石墨烯可饱和吸收体（5）为沉积在镀金全反镜上的氧化石墨烯薄膜，是被动调Q器件；拉曼信号光通过10/90的输出耦合器（6）输出；偏振控制器（7）用于优化腔内激光的偏振态，实现稳定的被动调Q。
实施例2
图2是本发明氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器实施例2的结构示意图。泵浦源（1）为中心波长1060nm的光纤激光器；波分复用光纤耦合器（2）的工作波长为1060/1120nm，用于耦合1060nm泵浦光和1120nm的拉曼信号光；拉曼光纤（3）为长飞公司生产的高非线性光纤，拉曼频移为13.2THz；氧化石墨烯可饱和吸收体（5）为沉积在光纤拉锥区上的氧化石墨烯，是被动调Q器件；拉曼信号光通过5/95的输出耦合器（6）输出；隔离器（8）用于保证腔内激光单向传输。
实施例3
图3是本发明氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器实施例3的结构示意图。泵浦源（1）为中心波长1550nm的光纤激光器；波分复用光纤耦合器（2）的工作波长为1550/1660nm，用于耦合1550nm泵浦光和1660nm的拉曼信号光；光纤布拉格光栅（9）的反射率为90%，中心波长为1660nm，反射带宽为1nm；拉曼光纤（3）为长飞公司生产的高非线性光纤，拉曼频移为13.2THz；氧化石墨烯可饱和吸收体（5）为沉积在宽带全反镜上的氧化石墨烯，是被动调Q器件；在光纤布拉格光栅（9）和氧化石墨烯可饱和吸收体（5）之间形成线形谐振腔；拉曼信号光通过波分复用光纤耦合器（2）的信号端出。
实施例4
图4是本发明氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器实施例4的结构示意图。泵浦源（1）为中心波长1060nm的光纤激光器；波分复用光纤耦合器（2）的工作波长为1060/1120nm，用于耦合1060nm泵浦光和1120nm的拉曼信号光；拉曼光纤（3）为长飞公司生产的高非线性光纤，拉曼频移为13.2THz；光纤布拉格光栅（9）的反射率为90%，中心波长为1120nm，反射带宽为1nm；氧化石墨烯可饱和吸收体（5）为沉积在宽带全反镜上的氧化石墨烯，放置于波分复用光纤耦合器（2）的信号端；在氧化石墨烯可饱和吸收体（5）和光纤布拉格光栅（9）之间形成线形谐振腔；拉曼信号光通过光纤布拉格光栅（9）的另一端出。
实施例5
图5是本发明氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器实施例5的结构示意图。泵浦源（1）为中心波长1060nm的光纤激光器；波分复用光纤耦合器（2）的工作波长为1060/1120nm，用于耦合1060nm泵浦光和1120nm的拉曼信号光；拉曼光纤（3）为长飞公司生产的高非线性光纤，拉曼频移为13.2THz；反射镜（10）为镀金全反镜；氧化石墨烯可饱和吸收体（5）为沉积在宽带全反镜上的氧化石墨烯，放置于波分复用光纤耦合器（2）的信号端；在氧化石墨烯可饱和吸收体（5）和反射镜（10）之间形成线形谐振腔；拉曼信号光通过10/90的输出耦合器（6）端出。
实施例6
图6是本发明氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器实施例6的结构示意图。泵浦源（1）为光纤耦合输出的，中心波长974nm的半导体激光器；合束器（11）用于将泵浦光耦合到稀土掺杂光纤（12）中；稀土掺杂光纤（12）为双包层掺铒光纤；波分复用光纤耦合器（2）的工作波长为1550/1660nm，用于分离激光腔内掺铒光纤产生的1550nm激光和拉曼光纤产生的1660nm的拉曼信号光；拉曼光纤（3）为长飞公司生产的高非线性光纤，拉曼频移为13.2THz；隔离器（8）用于保证1550nm激光在腔内单向传输；氧化石墨烯可饱和吸收体（5）为沉积在镀金全反镜上的氧化石墨烯薄膜，是被动调Q器件；光纤布拉格光栅（9）的反射率为90%，中心波长为1660nm，反射带宽为1nm；在氧化石墨烯可饱和吸收体（5）和光纤布拉格光栅（9）之间形成线形拉曼谐振腔；拉曼信号光通过光纤布拉格光栅（9）的另一端出。

Claims (12)

1.氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器，其特征在于：主要包括泵浦源（1）、波分复用光纤耦合器（2）、拉曼光纤（3）和氧化石墨烯可饱和吸收体（5），同时还包括环形器（4）、输出耦合器（6）、偏振控制器（7）、隔离器（8）、光纤布拉格光栅（9）、反射镜（10）、合束器（11）、稀土掺杂光纤（12）中的一项或几项；所述的氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器采用环形腔结构、线形腔结构或混合腔结构。
2.权利要求1所述的氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器，其特征在于：采用环形腔结构时为：泵浦源（1）通过波分复用光纤耦合器（2）将泵浦光注入拉曼光纤（3）；拉曼光纤（3）依次连接环形器（4）、输出耦合器（6）和偏振控制器（7），最后连接波分复用光纤耦合器（2）的信号端，形成环形的激光谐振腔；氧化石墨烯可饱和吸收体（5）位于环形器（4）第二端口，用于实现被动调Q；产生的拉曼信号光通过输出耦合器（6）输出。
3.权利要求1所述的氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器，其特征在于：采用环形腔结构时为：泵浦源（1）通过波分复用光纤耦合器（2）将泵浦光注入拉曼光纤（3）；拉曼光纤（3）依次连接氧化石墨烯可饱和吸收体（5）、输出耦合器（6）和隔离器（8），最后连接波分复用光纤耦合器（2）的信号端，形成环形的激光谐振腔；氧化石墨烯可饱和吸收体（5）用于实现被动调Q；产生的拉曼信号光通过输出耦合器（6）输出。
4.权利要求1所述的氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器，其特征在于：采用线形腔结构时为：泵浦源（1）连接波分复用光纤耦合器（2）的泵浦输入端；波分复用光纤耦合器（2）的公共端依次连接光纤布拉格光栅（9）、拉曼光纤（3）和氧化石墨烯可饱和吸收体（5）；光纤布拉格光栅（9）和氧化石墨烯可饱和吸收体（5）之间形成激光谐振腔，产生的拉曼信号光通过波分复用光纤耦合器（2）的信号端输出。
5.权利要求1所述的氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器，其特征在于：采用线形腔结构时为：泵浦源（1）连接波分复用光纤耦合器（2）的泵浦输入端；波分复用光纤耦合器（2）公共端依次连接拉曼光纤（3）和光纤布拉格光栅（9）；氧化石墨烯可饱和吸收体（5）位于波分复用光纤耦合器（2）的信号端，与光纤布拉格光栅（9）之间形成激光谐振腔，产生的拉曼信号光通过光纤布拉格光栅（9）的另一端输出。
6.权利要求1所述的氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器，其特征在于：采用线形腔结构时为：泵浦源（1）连接波分复用光纤耦合器（2）的泵浦输入端；波分复用光纤耦合器（2）公共端依次连接拉曼光纤（3）、输出耦合器（6）和反射镜（10）；氧化石墨烯可饱和吸收体（5）位于波分复用光纤耦合器（2）的信号端，与反射镜（10）之间形成激光谐振腔，产生的拉曼信号光通过输出耦合器（6）输出。
7.权利要求1所述的氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器，其特征在于：采用混合腔结构时为：泵浦源（1）通过合束器（11）将波长为λ0的泵浦光注入稀土掺杂光纤（12）中；稀土掺杂光纤（12）依次连接第一波分复用光纤耦合器（2）、拉曼光纤（3）、第二波分复用光纤耦合器（2）和隔离器（8），最后连接合束器（11）的信号端，形成环形的激光谐振腔，产生波长为λ1的激光（λ1由稀土掺杂光纤的掺杂元素决定）；拉曼光纤（3）在波长为λ1的激光泵浦下，产生波长为λ2的拉曼信号光（λ2由泵浦激光波长λ1和拉曼光纤的拉曼增益谱决定）；氧化石墨烯可饱和吸收体（5）依次连接、第一波分复用光纤耦合器（2）、拉曼光纤（3）、第二波分复用光纤耦合器（2）和光纤布拉格光栅（9），形成线形的拉曼激光谐振腔，产生的拉曼信号光通过光纤布拉格光栅（9）的另一端输出。
8.权利要求1所述的氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器，其特征在于：所述的泵浦源为半导体激光器、固体激光器或光纤激光器，输出泵浦光的中心波长λ0的范围为：500nm<λ0<5000nm。
9.权利要求1所述的氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器，其特征在于：所述的拉曼光纤为单模光纤、色散补偿光纤、色散位移光纤、高非线性光纤、锗硅酸盐光纤、磷酸盐光纤、碲化物光纤、氟化物光纤或硫化物光纤。
10.权利要求1所述的氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器，其特征在于：氧化石墨烯可饱和吸收体为固态、胶态或液态的氧化石墨烯、或为氧化石墨烯复合物、或为化学改性的氧化石墨烯。
11.权利要求1所述的氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器，其特征在于：氧化石墨烯可饱和吸收体为透射式或反射式的氧化石墨烯可饱和吸收体；制备方法包括：将氧化石墨烯沉积在镀金反射镜、镀银反射镜或镀介质反射镜上,或将氧化石墨烯沉积或吸附在光纤端面,或将氧化石墨烯置于光纤侧面抛光的凹槽区或环形拉锥区,或将氧化石墨烯溶液充入空心光子晶体光纤中。
12.权利要求1所述的氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器，其特征在于：稀土掺杂光纤为掺有一种或多种稀土元素的光纤。
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