CN105470791B - 基于二维纳米材料锁模的空间结构光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于二维纳米材料锁模的空间结构光纤激光器，包括：用于输出泵浦激光的泵浦源；环形腔光路，一部分由增益光纤组成，还包括用于锁模的二维纳米材料可饱和吸收体，用于形成非线性偏振旋转并实现混合锁模的空间结构；和用于将光耦合到环形腔光路的波分复用器。本发明由于采用二维纳米材料可饱和吸收体与实现非线性偏振旋转的空间结构进行混合锁模，实现了空间结构的光纤激光器锁模，本发明结构紧凑小巧、成本较低、适于重复生产和组装，具有激光单向输出、高重复频率、低于100fs量级的脉冲宽度、高稳定性以及高光束质量等优点，可广泛应用于国防、工业、医疗、科研等。

Description

基于二维纳米材料锁模的空间结构光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，特别是涉及一种基于二维纳米材料锁模的空间结构光纤激光器。

背景技术

自上世纪90年代起，锁模光纤激光器由于能够产生超短脉冲，在超快光学和光通信系统中有着重要的应用。而其中的被动锁模光纤激光器则通常利用腔内非线性器件的非线性效应对激光进行调制实现锁模。

目前，基于半导体可饱和吸收镜(SESAM)实现的被动锁模，是最成熟也是应用也最广泛的锁模技术。但是SESAM锁模也存在很多难以克服的缺点。基于传统锁模技术所存在的缺陷，新型的二维纳米材料锁模技术应运而生。随着纳米技术的发展，单壁碳纳米管，石墨烯，拓扑绝缘体等二维纳米材料作为替代SESAM锁模的可饱和吸收材料成为近年来人们研究的热点。

单壁碳纳米管可饱和吸收体由于其可饱和吸收带的工作波长与直径和手性来决定，通常需要将不同直径大小的单壁碳纳米管混合在一起以实现宽波长范围的可饱和吸收。然而，单壁碳纳米管的光吸收特性与碳管直径、手性等因素有关，这将影响器件的性能，不利于锁模的精确控制，同时也会带了很大的光散射损耗，这些缺点影响了激光器的输出性能。因此有人提出石墨烯可以作为一种可靠有效的可饱和吸收体。与SESAM相比，石墨烯可饱和吸收体具有自己的优势：可饱和吸收恢复时间超快、带宽极宽、饱和强度低、抗损伤阈值高和制备成本低，是一种理想的被动锁模器件。但目前石墨烯锁模光纤激光器最长工作波长和最短工作波长都是在固体激光器中产生，而未在光纤激光器中产生。

与此同时，与石墨烯类似的具有可饱和吸收特性的二维纳米材料——拓扑绝缘体(Topological insulator，TI)也受到人们的关注。景观TI具有易于制造，成本低等优点。到目前为止，由TI锁模的光纤激光器输出的最窄脉冲宽度为128fs，仍未达到百飞秒量级以下，且输出功率在10mW量级。

综上所述，对于利用石墨烯、TI等二维纳米材料作为可饱和吸收体，降低锁模阈值、压缩脉冲宽度、提高重复频率、增大输出功率，仍是实验和商业应用上的亟待解决的问题。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种基于二维纳米材料锁模的空间结构光纤激光器，该激光器能够降低锁模阈值、压缩脉冲宽度、提高重复频率、增大输出功率，能够输出脉冲宽度在100fs以下的激光脉冲。

特别地，本发明提供了一种基于二维纳米材料锁模的空间结构光纤激光器，包括：

用于输出泵浦激光的泵浦源；

环形腔光路，一部分由增益光纤组成，还包括用于锁模的二维纳米材料可饱和吸收体，用于形成非线性偏振旋转并实现混合锁模的空间结构；和，

用于将光耦合到所述环形腔光路的波分复用器。

进一步地，所述增益光纤对传输至的激光增益起振后入射至与其相连的所述二维纳米材料可饱和吸收体中；

优选地，所述增益光纤为掺铒光纤或掺镱光纤。

进一步地，所述空间结构包括光纤准直器、半波片、1/4波片、偏振分光镜及偏振相关隔离器，所述光通过所述空间结构将其传输通路限定在同一平面上。

进一步地，所述偏振分光镜为对应波长为900-1300nm的空气隙偏振分束立方体或者对应波长为1200-1600nm的胶合偏振分束立方体。

进一步地，所述光纤准直器包括第一至第二光纤准直器，所述半波片包括第一至第二半波片，所述1/4波片包括第一至第二1/4波片；

其中，所述泵浦源输出的泵浦激光通过单模光纤接入所述波分复用器的第一入射端，所述波分复用器的出射端经单模光纤连接至所述第一光纤准直器、再经所述第一半波片、所述第一1/4波片、所述偏振分光镜、所述偏振相关隔离器、所述第二半波片、所述第二1/4波片和所述第二光纤准直器，并由所述第二光纤准直器的出射端入单模光纤连入所述增益光纤，再由所述二维纳米材料可饱经单模光纤连入所述波分复用器的第二入射端。

进一步地，所述第一半波片及所述第二半波片为空气隙零级波片、胶合零级波片或聚合物零级石英波片中的一种。

进一步地，所述第一1/4波片及第二1/4波片为空气隙零级波片、胶合零级波片或聚合物零级石英波片中的一种。

进一步地，所述泵浦源的中心频率为974nm、976nm或1480nm中之一，最大泵浦功率为200mW、300mW、500mW、680mW或750mW中之一。

进一步地，所述二维纳米材料可饱和吸收体为在锥腰处镀有一层二维纳米材料的拉锥光纤，在所述光通过所述拉锥光纤的时候构成倏逝场锁模器件。

进一步地，所述二维纳米材料为单壁碳纳米管、石墨烯或拓扑绝缘体中的一种。

本发明的基于二维纳米材料锁模的空间结构光纤激光器，由于采用二维纳米材料可饱和吸收体与实现非线性偏振旋转的空间结构进行混合锁模，实现了空间结构的光纤激光器锁模，并获得了100fs以下的超短激光脉冲输出。本发明结构紧凑小巧、成本较低、适于重复生产和组装，具有激光单向输出、高重复频率、低于100fs量级的脉冲宽度、高稳定性以及高光束质量等优点，可广泛应用于国防、工业、医疗、科研等领域，具有很好的应用前景和商业价值。

进一步地，相比于以往的二维纳米材料可饱和吸收体实现锁模的全光纤结构激光器来说，脉冲宽度明显变窄、输出功率明显增大、重复频率明显提高、锁模阈值显著降低。

进一步地，对于基于非线性偏振旋转技术锁模的空间结构光纤激光器来说，输出功率增大、锁模阈值降低、脉冲宽度变窄、激光器稳定运行时间更长。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的空间结构光纤激光器的结构示意图；

图2是根据本发明的一个实施例所述空间结构光纤激光器得到的稳定锁模输出的脉冲信号；

图3是根据本发明的一个实施例所述空间结构光纤激光器用频谱仪测得的脉冲宽度信号；

图4是根据本发明的一个实施例所述空间结构光纤激光器用光谱仪测得的输出光谱信号。

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的空间结构光纤激光器的结构示意图。该基于非线性偏振旋转技术锁模的空间结构光纤激光器一般性地可包括：

用于输出泵浦激光的泵浦源1；

环形腔光路，一部分由增益光纤11组成，还包括用于锁模的二维纳米材料可饱和吸收体12，用于形成非线性偏振旋转并实现混合锁模的空间结构13；和，

用于将光耦合到所述环形腔光路的波分复用器2。

其中，所述泵浦源1的中心频率为974nm、976nm或1480nm中之一，最大泵浦功率为200mW、300mW、500mW、680mW或750mW中之一。需要说明的是，所述泵浦源1采用的泵浦源中心频率为974nm，对应的最大泵浦功率为200mW、300mW、500mW、680mW或750mW中之一，即五种皆可。本实施例中采用光纤耦合输出的半导体激光器，用于输出波长为976nm的泵浦激光，输出功率为680mW，光纤芯径为8.2微米，数值孔径0.14，光纤输出后经过波分复用器2后将光耦合到环形腔光路中。

本实施例采用二维纳米材料可饱和吸收体12与实现非线性偏振旋转的空间结构13进行混合锁模，实现了空间结构13的光纤激光器锁模，并获得了100fs以下的超短激光脉冲输出。首先激光器输出脉宽主要与激光器的调制深度有关，因为二维纳米材料可饱和吸收体12可以增加激光器环形腔光路的调制深度，从而使脉冲变窄，此外，二维纳米材料可饱和吸收体12与实现非线性偏振旋转的空间结构13可同时进行锁模，他们两个集中在一起使用构成一种混合锁模方式，这样的话就进一步增加调制深度，使得所述空间结构光纤激光器的输出脉宽更窄，进而得到100fs以下的超短激光脉冲输出。

相比于以往的二维纳米材料可饱和吸收体12实现锁模的全光纤结构激光器来说，具有脉冲宽度明显变窄、输出功率明显增大、重复频率明显提高、锁模阈值显著降低的优点。而相比于基于非线性偏振旋转技术锁模的空间结构光纤激光器来说，则具有输出功率增大、锁模阈值降低、脉冲宽度变窄、激光器稳定运行时间更长的优点。

所述增益光纤11对传输至的激光增益起振后入射至与其相连的所述二维纳米材料可饱和吸收体12中。优选地，所述增益光纤11可以采用掺铒光纤或者掺镱光纤。

增益光纤11是在石英光纤中掺入了少量的稀土元素的光纤。本实施例中该增益光纤11的发射波长位于1530nm到1610nm之间，对于泵浦激光单模光纤的典型熔接损耗小于0.1dB，对于SMF-28e+光纤的典型熔接损耗小于0.15dB，增益为110±10dB/m，数值孔径为0.2。

具体说来，所述用于形成非线性偏振旋转的空间结构13包括光纤准直器、半波片、1/4波片、偏振分光镜6及偏振相关隔离器7，所述光通过所述空间结构13将其传输通路限定在同一平面上。

所述偏振分光镜6为对应波长为900-1300nm的空气隙偏振分束立方体或者对应波长为1200-1600nm的胶合偏振分束立方体。本实施例中采用的是胶合偏振分束立方体，其透射消光比:Tp:Ts>1,000:1，透射效率:Tp>90％，反射效率:Rs>99.5％，涂层范围为1200-1600nm，是用于将环形腔光路内的光偏振输出，能将一束光分成两束输出。

所述光纤准直器包括第一至第二光纤准直器10，所述半波片包括第一至第二半波片8，所述1/4波片包括第一至第二1/4波片9；其中，所述泵浦源1输出的泵浦激光通过单模光纤接入所述波分复用器2的第一入射端，所述波分复用器2的出射端经单模光纤连接至所述第一光纤准直器3、再经所述第一半波片4、所述第一1/4波片5、所述偏振分光镜6、所述偏振相关隔离器7、所述第二半波片8、所述第二1/4波片9和所述第二光纤准直器10，并由所述第二光纤准直器10的出射端入单模光纤连入所述增益光纤11，再由所述二维纳米材料可饱经单模光纤连入所述波分复用器2的第二入射端。

其中，所述第一半波片4及所述第二半波片8为空气隙零级波片、胶合零级波片或聚合物零级石英波片中的一种，是用于调整环形腔中激光的偏振态。本实施例采用的是空气隙零级波片。中心波长为1550nm，镀模为AR@1530-1570nm，尺寸为20mm。

所述第一1/4波片5及第二1/4波片9为空气隙零级波片、胶合零级波片或聚合物零级石英波片中的一种，用于与半波片一起调整环形腔中激光的偏振态。本实施例采用的是空气隙零级波片。中心波长为1550nm，镀模为AR@1530-1570nm，尺寸为20mm。

所述第一光纤准直器3与第二光纤准直器10，均为单模光纤准直器，输出光直径为1.2mm，工作距离为100mm，准直器中透镜直径为2.78mm，能承受的最短脉宽为30fs，最小重复频率为10MHz，最大平均输出功率为400mW。第一光纤准直器3主要是保证光纤输出光聚焦后平行入射到所述空间结构13中，而第二光纤准直器10主要是为了将空间光耦合到增益光纤11中。所述第一光纤准直器3与第二光纤准直器10的准直性越好，光的耦合率越高，激光器的输出功率越高，性能越好。

所述偏振相关隔离器7可以在任意位置提供相同的峰值隔离效果，其带有一个法拉第转子，在出厂前就经过调节，可以将设计波长光波的偏振方向旋转45°。在偏振相关隔离器7中后向传播的光由于输出偏振器的作用，偏振方向为45°，这样与输入偏振器透射轴上光的偏振方向相差90°。因此，一个偏振相关隔离器7就可以阻断后向传播的光。本实施例中所述偏振相关隔离器7的调节范围为1510nm-1590nm,可承受最大功率为15W。

所述二维纳米材料可饱和吸收体12为在锥腰处镀有一层二维纳米材料的拉锥光纤，在所述光通过所述拉锥光纤的时候构成倏逝场锁模器件。所述二维纳米材料为单壁碳纳米管、石墨烯或拓扑绝缘体中的一种。本实施例中所述二维纳米材料可饱和吸收体12的插入损耗为2dB，拉锥光纤的锥区长度为2mm，锥腰直径为15um。进行所述二维纳米材料可饱和吸收体12的生成时，将呈颗粒状的二维纳米材料通过脉冲激光沉积(PLD)或者气相沉积(CVD)等方法镀在拉锥光纤的锥腰处。

可以理解的是，本实施例中的单模光纤也可以为双包层光纤、HI1060、OFS的单模光纤等。利用这几种单模光纤作为传输光纤，可获得不同输出功率的稳定锁模，其脉冲宽度也不一样，可满足不同需求。

本实施例提供的激光器可以获得输出功率为60mW的稳定连续锁模，在所述偏振分光镜6的输出端处设置半波片14，调整输出激光的偏振态，再将输出激光入射至另一偏振分光镜16中将输出激光分为两束输出，分别输出至光谱仪15与频谱仪17中进行测量。

如图2所示，图2为根据本实施例所述空间结构光纤激光器得到的稳定锁模输出的脉冲信号，可通过光电二极管监测环形腔光路中偏振分光镜6的输出端得到该腔内锁模信号，假设脉冲为双曲正割型时，如图3所示，图3是根据本实施例所述空间结构光纤激光器用频谱仪17测得的脉冲宽度信号，脉冲宽度为50fs。如图4所示，图4是根据本实施例所述空间结构光纤激光器用光谱仪15测得的输出光谱信号，光谱宽度为78nm。

可见，本实施例采用的基于非线性偏振旋转技术锁模的空间结构光纤激光器，可以降低激光器的锁模阈值、压缩脉冲宽度、提高重复频率、增大输出功率。

本实施例所描述的激光器结构紧凑小巧、成本较低、适于重复生产和组装，具有激光单向输出、高重复频率、低于100fs量级的脉冲宽度、高稳定性以及高光束质量等优点，可广泛应用于国防、工业、医疗、科研等领域，具有很好的应用前景和商业价值。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (11)

1.一种基于二维纳米材料锁模的空间结构光纤激光器，包括：

用于输出泵浦激光的泵浦源；

环形腔光路，一部分由增益光纤组成，还包括用于锁模的二维纳米材料可饱和吸收体，用于形成非线性偏振旋转并实现混合锁模的空间结构；和，

用于将光耦合到所述环形腔光路的波分复用器。

2.根据权利要求1所述的基于二维纳米材料锁模的空间结构光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤对传输至的激光增益起振后入射至与其相连的所述二维纳米材料可饱和吸收体中。

3.根据权利要求2所述的基于二维纳米材料锁模的空间结构光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤为掺铒光纤或掺镱光纤。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于二维纳米材料锁模的空间结构光纤激光器，其特征在于，所述空间结构包括光纤准直器、半波片、1/4波片、偏振分光镜及偏振相关隔离器，所述光通过所述空间结构将其传输通路限定在同一平面上。

5.根据权利要求4所述的基于二维纳米材料锁模的空间结构光纤激光器，其特征在于，所述偏振分光镜为对应波长为900-1300nm的空气隙偏振分束立方体或者对应波长为1200-1600nm的胶合偏振分束立方体。

6.根据权利要求4所述的基于二维纳米材料锁模的空间结构光纤激光器，其特征在于，所述光纤准直器包括第一至第二光纤准直器，所述半波片包括第一至第二半波片，所述1/4波片包括第一至第二1/4波片；

其中，所述泵浦源输出的泵浦激光通过单模光纤接入所述波分复用器的第一入射端，所述波分复用器的出射端经单模光纤连接至所述第一光纤准直器、再经所述第一半波片、所述第一1/4波片、所述偏振分光镜、所述偏振相关隔离器、所述第二半波片、所述第二1/4波片和所述第二光纤准直器，并由所述第二光纤准直器的出射端入单模光纤连入所述增益光纤，再由所述二维纳米材料可饱和吸收体经单模光纤连入所述波分复用器的第二入射端。

7.根据权利要求6所述的基于二维纳米材料锁模的空间结构光纤激光器，其特征在于，所述第一半波片及所述第二半波片为空气隙零级波片、胶合零级波片或聚合物零级石英波片中的一种。

8.根据权利要求6或7所述的基于二维纳米材料锁模的空间结构光纤激光器，其特征在于，所述第一1/4波片及第二1/4波片为空气隙零级波片、胶合零级波片或聚合物零级石英波片中的一种。

9.根据权利要求1所述的基于二维纳米材料锁模的空间结构光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源的中心频率为974nm、976nm或1480nm中之一，最大泵浦功率为200mW、300mW、500mW、680mW或750mW中之一。

10.根据权利要求1所述的基于二维纳米材料锁模的空间结构光纤激光器，其特征在于，所述二维纳米材料可饱和吸收体为在锥腰处镀有一层二维纳米材料的拉锥光纤，在所述光通过所述拉锥光纤的时候构成倏逝场锁模器件。

11.根据权利要求10所述的基于二维纳米材料锁模的空间结构光纤激光器，其特征在于，所述二维纳米材料为单壁碳纳米管、石墨烯或拓扑绝缘体中的一种。