CN105870769A - 一种基于石墨烯电光调制的主动调q光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于石墨烯电光调制的主动调Q光纤激光器，包括泵浦源、有源掺杂光纤、石墨烯电光调制器和聚焦耦合系统。所述泵浦源耦合连接于所述有源掺杂光纤；所述石墨烯电光调制器通过聚焦耦合系统耦合连接于所述有源掺杂光纤；所述有源掺杂光纤经泵浦源泵浦激活后产生的激光光束以往返透射的方式与石墨烯电光调制器发生作用；所述石墨烯电光调制器基于外部调制电压对石墨烯材料光学吸收性能的调制作用来实现对激光器Q值的主动调制。本发明所述的主动调Q光纤激光器通过石墨烯的线性吸收效应对腔内损耗进行调制，具有工作波长宽、调制深度可控、稳定性好、结构紧凑等特点，在工业应用中也表现出巨大的竞争优势及光明前景。

Description

一种基于石墨烯电光调制的主动调Q光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器领域，具体涉及一种基于石墨烯电光调制的主动调Q光纤激光器，尤其是涉及一种基于石墨烯电光调制的主动调Q宽带波长可调谐光纤激光器。

背景技术

作为实验发现的第一种二维材料，石墨烯是一种碳原子以六角蜂窝结构共价结合的原子晶体；由于独特的零带隙结构使其具备优异的材料特性；目前，已经广泛应用于光电子学、光子学及非线性光学研究中，如场效应管、光探测器、光调制器等领域。石墨烯狄拉克电子能带的线性色散使其具有超宽带的光学响应，一般可以实现从可见光到中红外波段的吸收；此外，石墨烯超快的载流子弛豫时间、较大的光学吸收系数以及日渐成熟的生长制备技术使其迅速成为一种颇具潜力的光电材料。现有技术中基于石墨烯电光调制的技术主要以波导为载体与被调制光进行耦合，波导不仅具有较大的插入损耗，而且由于截止波长的限制，极大的限制了石墨烯电光调制器在激光器中的应用，现有技术中尚未出现不依赖波导结构的基于石墨烯电光调制的主动调Q器件，更没有出现基于石墨烯电光调制的主动调Q宽带波长可调谐光纤激光器。

发明内容

本发明提出了一种基于石墨烯电光调制的主动调Q宽带波长可调谐光纤激光器，首次实现了非波导结构的石墨烯电光调制技术在光纤激光器中的应用，通过外部周期性电压信号来调制石墨烯的光学吸收实现了大脉冲能量、重复频率可控的微秒量级脉冲激光输出。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种基于石墨烯电光调制的主动调Q光纤激光器，包括泵浦源、有源掺杂光纤、石墨烯电光调制器和聚焦耦合系统，所述泵浦源耦合连接于所述有源掺杂光纤，所述石墨烯电光调制器通过聚焦耦合系统耦合连接于所述有源掺杂光纤，所述有源掺杂光纤经泵浦源泵浦激活后产生的激光光束以往返透射的方式与石墨烯电光调制器发生作用，所述石墨烯电光调制器基于外部调制电压对石墨烯材料光学吸收性能的调制作用来实现对激光器Q值的主动调制。

进一步的根据本发明所述的主动调Q光纤激光器，其中所述石墨烯电光调制器具有平板电容型结构，包括相互绝缘间隔的上下石墨烯层，外部调制电压分别施加于上下石墨烯层，外部调制电压为周期性调制电压，激光光束垂直于石墨烯层入射。

进一步的根据本发明所述的主动调Q光纤激光器，其中所述石墨烯电光调制器包括光学衬底21、下层石墨烯22、底层金属电极23、绝缘层24、上层石墨烯25和顶层金属电极26，所述下层石墨烯22处于所述光学衬底21上，所述绝缘层24处于所述下层石墨烯22上，所述上层石墨烯25处于所述绝缘层24上，所述底层金属电极23电性连接于所述下层石墨烯22，所述顶层金属电极26电性连接于所述上层石墨烯25，所述下层石墨烯22和上层石墨烯25通过所述绝缘层24相互绝缘间隔。

进一步的根据本发明所述的主动调Q光纤激光器，其中所述底层金属电极23按照预定电极图案形成于所述下层石墨烯22上，所述顶层金属电极26按照预定的电极图案形成于所述上层石墨烯25上，且所述底层金属电极22的正上方未设置有所述上层石墨烯25，所述顶层金属电极26的正下方未设置有所述下层石墨烯22，所述上层石墨烯25和下层石墨烯22除电极形成部位之外上下正对设置。

进一步的根据本发明所述的主动调Q光纤激光器，其中还包括有：光环行器5、光隔离器6、波分复用器8、带宽和波长可调谐滤波器10、输出耦合器11和偏振控制器12，所述波分复用器8、有源掺杂光纤7、光隔离器6、光环行器5、偏振控制器12、输出耦合器11和带宽和波长可调谐滤波器10连接成环形光纤激光腔，所述泵浦源9通过所述波分复用器8耦合连接于所述环形光纤激光腔，所述输出耦合器11提供激光输出，所述石墨烯电光调制器通过聚焦耦合系统和光环行器5耦合连接于所述环形光纤激光腔。

进一步的根据本发明所述的主动调Q光纤激光器，其中所述泵浦源9与所述波分复用器8的第一输入端耦合连接，所述波分复用器8的输出端与有源掺杂光纤7的一端连接，所述有源掺杂光纤7的另一端与所述光隔离器6的输入端连接，所述光隔离器6的输出端与所述光环行器5的第一端口连接，所述光环行器5的第二端口与所述聚焦耦合系统耦合连接，所述光环行器5的第三端口与所述偏振控制器12的输入端连接，所述偏振控制器12的输出端与所述输出耦合器11的输入端连接，所述输出耦合器11的第一输出端与所述带宽和波长可调谐滤波器10的输入端连接，所述带宽和波长可调谐滤波器10的输出端与所述波分复用器8的第二输入端连接，所述输出耦合器11的第二输出端提供激光输出。

进一步的根据本发明所述的主动调Q光纤激光器，其中还包括有端面反射镜1，所述聚焦耦合系统包括聚焦透镜3和准直透镜4，所述光环行器5的第二端口位于所述准直透镜4的焦点位置，所述聚焦透镜3设置于所述准直透镜4的后方，所述端面反射镜1设置于所述聚焦透镜3的后方，并位于所述聚焦透镜3的焦点位置，所述石墨烯电光调制器2设置于所述聚焦透镜3与所述端面反射镜1之间或者设置于所述聚焦透镜3与所述准直透镜4之间，通过所述端面反射镜1将经石墨烯电光调制器2调制后的激光反馈回环形光纤激光腔内。

进一步的根据本发明所述的主动调Q光纤激光器，其中还包括有端面反射镜1、带宽和波长可调谐滤波器5、偏振控制器6、波分复用器8和光纤输出耦合器10，所述端面反射镜1、聚焦耦合系统、石墨烯电光调制器2、带宽和波长可调谐滤波器5、偏振控制器6、波分复用器8、有源掺杂光纤9和光纤输出耦合器10组成线形光纤激光腔，所述泵浦源通过所述波分复用器8耦合连接于所述线形光纤激光腔，所述端面反射镜1和所述光纤输出耦合器10分别作为所述线形光纤激光腔的前后腔镜提供腔内的光学反馈，并由所述光纤输出耦合器10提供激光输出。

进一步的根据本发明所述的主动调Q光纤激光器，其中所述聚焦耦合系统包括聚焦透镜3和准直透镜4，所述波分复用器8具有三个端口，第一端口作为泵浦输入端，第二端口和第三端口均作为激光输入/输出端，所述光纤输出耦合器10具有四个端口，第二端口和第三端口对接形成光纤全反射镜，第一端口作为激光输入/输出端，第四端口作为激光输出端，所述泵浦源7与所述波分复用器8的第一端口耦合连接，所述波分复用器8的第二端口与有源掺杂光纤9的一端连接，所述有源掺杂光纤9的另一端与所述光纤输出耦合器10的第一端口连接，所述波分复用器8的第三端口与所述偏振控制器6的一端相连，所述偏振控制器6的另一端与所述带宽和波长可调谐滤波器5的一端连接，所述带宽和波长可调谐滤波器5的另一端处于所述准直透镜4的焦点位置，所述聚焦透镜3设置于所述准直透镜4的后方，所述端面反射镜1设置于所述聚焦透镜3的后方，并位于所述聚焦透镜3的焦点位置，所述石墨烯电光调制器2设置于所述聚焦透镜3与所述端面反射镜1之间或者设置于所述聚焦透镜3与所述准直透镜4之间，通过所述端面反射镜1将经石墨烯电光调制器2调制后的激光反馈回线形光纤激光腔内。

进一步的根据本发明所述的主动调Q光纤激光器，其中所述主动调Q光纤激光器能够在1500nm到1600nm的宽带范围内实现波长可调谐输出，输出光谱半高全宽处于0.05nm以内，且所述主动调Q光纤激光器的输出激光脉冲序列与调制电压时域波形保持同步，在调制电压频率为36.5kHz时，输出激光最小脉冲宽度为2.3μs，最大输出功率为1.71mW，最大脉冲能量为46.8nJ，调制电压频率信号的信噪比为48dB。

本发明的技术方案至少具有以下技术创新与技术效果：

(1)、本发明首次基于石墨烯的电光调制特性制备主动调Q器件，通过电场效应控制石墨烯费米能级的变化对入射光信号的吸收进行调制，由于石墨烯主要采用化学气相沉积法生长制备，具有均匀性好、载流子迁移率高、成本低廉等优点，从而可以有效实现高调制速率、低调制电压的石墨烯电光调制器。

(2)、本发明首创地采用石墨烯二维材料作为电光调制介质用于主动调Q光纤激光器中，由于石墨烯材料具有超宽的光学响应波长范围、超快的载流子弛豫速率、可控的调制深度，可实现高稳定性、脉冲重复频率可控、脉冲宽度可调谐、输出波长可调谐的大能量主动调Q光纤激光输出。

(3)、本发明采用石墨烯二维材料作为电光调制介质用于主动调Q光纤激光器，激光以垂直于石墨烯原子层的入射方式与光调制器耦合，避免了波导耦合光调制器插入损耗大的缺陷，有效降低了激光器的损耗，实现较低阈值的脉冲激光输出。

(4)、总之本发明基于石墨烯的电光调制效应，将其集成于光纤激光器中通过主动电光调Q输出脉冲激光，这种激光器具有大的脉冲能量、可控的脉冲重复频和连续可调谐的输出波长，是一种基于石墨烯材料的新型主动调Q光纤激光器。这种主动调Q光纤激光器通过石墨烯的线性吸收效应对腔内损耗进行调制，不同于传统基于主动电光调制晶体和被动可饱和吸收体的脉冲调Q激光器的工作机理，具有工作波长宽、调制深度可控、稳定性好、结构紧凑等特点，在工业应用中也表现出巨大的竞争优势及光明前景，是一种基于石墨烯新型电光材料的全新结构的主动调Q光纤激光器，市场前景广阔。

附图说明

附图1是本发明所述主动调Q光纤激光器采用的石墨烯电光调制器的结构示意图。

附图2是本发明所述主动调Q光纤激光器采用环形腔的结构示意图。

附图3是本发明所述主动调Q光纤激光器采用线形腔的结构示意图。

附图4是本发明所述主动调Q光纤激光器中入射光的透过率随调制电压的函数关系图。

附图5是本发明所述主动调Q光纤激光器的调Q脉冲输出序列与调制电压时域波形的对比结果。

附图6是本发明所述主动调Q光纤激光器实现可调谐输出的光谱图。

附图7是本发明所述主动调Q光纤激光器的调Q激光输出脉冲宽度随泵浦功率的变化曲线。

附图8是本发明所述主动调Q光纤激光器的调Q激光输出脉冲宽度随调制频率的变化曲线。

附图9是本发明所述主动调Q光纤激光器的调Q脉冲激光输出功率及脉冲能量随泵浦功率的变化关系图。

附图10是本发明所述主动调Q光纤激光器的调Q脉冲激光输出频谱图。

图中各附图标记的含义如下：

21、光学衬底，22、下层石墨烯，23、底层金属电极，24、绝缘层，25、上层石墨烯，26、顶层金属电极；

对于第一实施方式：

1、端面反射镜，2、石墨烯电光调制器，3、聚焦透镜，4、准直透镜，5、光环行器，6、光隔离器，7、有源掺杂光纤，8、波分复用器，9、泵浦源，10、带宽和波长可调谐滤波器，11、输出耦合器，12、偏振控制器；

对于第二实施方式：

1、端面反射镜，2、石墨烯电光调制器，3、聚焦透镜，4、准直透镜，5、带宽和波长可调谐滤波器，6、偏振控制器，7、泵浦源，8、波分复用器，9、有源掺杂光纤，10、光纤输出耦合器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。

本发明首创地提出基于石墨烯电光调制特性的石墨烯电光调制器，并将其首次应用于光学激光器中，经过试验可实现高稳定性、脉冲重复频率可控、脉冲宽度可调谐、输出波长可调谐的大能量主动调Q光纤激光输出。首先说明本发明应用的石墨烯电光调制器的结构和工作原理。如附图1所示，所述的石墨烯电光调制器包括光学衬底21、下层石墨烯22、底层金属电极23、绝缘层24、上层石墨烯25和顶层金属电极26，其中下层石墨烯22形成于光学衬底21上，底层金属电极23按照预定的电极图案形成于下层石墨烯22上，绝缘层24处于下层石墨烯22和上层石墨烯25之间，将下层石墨烯22和上层石墨烯25绝缘间隔，上层石墨烯25形成于绝缘层24之上，顶层金属电极26按照预定的电极图案形成于上层石墨烯25上，底层金属电极23电性接触下层石墨烯22，顶层金属电极26电性接触上层石墨烯25。同时确保底层金属电极22的正上方无上层石墨烯25、顶层金属电极26的正下方无下层石墨烯22，以减少寄生电容，并且分别引出两个电极时不会使上下两层石墨烯导通，上层石墨烯25和下层石墨烯22除电极形成部位之外上下正对设置，整个石墨烯电光调制器形成为平板电容型结构，上下石墨烯层分别组成电光调制器的正负极，之间由绝缘层隔开形成电容器。这样当外加周期性电压作用于金属电极时，在上下两层石墨烯之间形成电场，从而引入石墨烯中电子或空穴掺杂变化，这种载流子掺杂浓度的变化将导致石墨烯能带中费米能级的移动，当费米能级与狄拉克点之间的能隙大于入射光子能量的一半时，石墨烯的光学吸收为零。从而所述石墨烯电光调制器在外加调制电压信号下可以实现对入射光信号的吸收调制。

因此这种石墨烯电光调制器可作为一种主动调Q期间应用于激光器中，通过主动调Q机制可以获得大脉冲能量、重复频率可控的脉冲激光输出，通过大量的创新试验，申请人发现将这种石墨烯电光调制器集成于光纤激光器中，通过主动电光调Q输出脉冲激光，利用石墨烯的线性吸收效应对腔内损耗进行调制，不同于传统基于主动电光调制晶体和被动可饱和吸收体的脉冲调Q激光器的工作机理，具有工作波长宽、调制深度可控、稳定性好、结构紧凑等特点，可作为新一代的主动调Q光纤激光器，在工业应用中也表现出巨大的竞争优势及光明前景。

本发明所述的基于石墨烯电光调制的主动调Q光纤激光器包括泵浦源、有源掺杂光纤、石墨烯电光调制器和聚焦耦合系统，所述泵浦源耦合连接于有源掺杂光纤，为有源掺杂光纤中的激活离子提供泵浦能量，所述石墨烯电光调制器通过聚焦耦合系统耦合连接于所述有源掺杂光纤。所述有源掺杂光纤通过泵浦源泵浦激活，产生的振荡激光通过聚焦耦合系统入射至石墨烯电光调制器，入射到石墨烯电光调制器的光束经过电压信号调制的石墨烯层时其吸收被周期性控制，由此导致激光器腔内Q值高低的周期性变化，从而将连续波振荡的激光转换为调Q脉冲激光输出。有源掺杂光纤与石墨烯电光调制器以空间方式耦合，即通过激光光束往返透射的形式与调制器中的石墨烯相互作用。下面结合实验结果给出本发明所述基于石墨烯电光调制的主动调Q光纤激光器的优选实施方式。

第一优选实施方式

本发明所述基于石墨烯电光调制的主动调Q光纤激光器进一步的优选的包括两种实施结构，附图2给出了基于石墨烯电光调制的主动调Q宽带波长可调谐环形腔光纤激光器的结构，包括端面反射镜1、石墨烯电光调制器2、聚焦透镜3、准直透镜4、光环行器5、光隔离器6、有源掺杂光纤7、波分复用器8、泵浦源9、带宽和波长可调谐滤波器10、输出耦合器11和偏振控制器12，如图2所示，泵浦源9与波分复用器8的泵浦输入端连接，波分复用器8的输出端与有源掺杂光纤7的一端耦合连接，有源掺杂光纤7的另一端与偏振无关光隔离器6的输入端连接，偏振无关光隔离器6的输出端与光环行器5的输入端连接，光环行器5的第一输出端与主动调Q单元连接，具体的光环行器5的第一输出端与准直透镜4连接，处于准直透镜的焦点位置，通过准直透镜将光环行器的输出光转换为平行光，准直透镜4后面放置聚焦透镜3，准直后的平行光被聚焦透镜聚焦于一点，在焦点处放置端面反射镜以将激光反馈回光纤激光腔内，所述石墨烯电光调制器可放置于聚焦透镜与端面反射镜之间，亦可放置于准直透镜与聚焦透镜之间，所述聚焦透镜3和准直透镜4组成聚焦耦合系统，所述石墨烯电光调制器2、聚焦耦合系统和端面反射镜1共同构成所述主动调Q单元，通过聚焦耦合系统将石墨烯电光调制器2耦合于光纤环形腔，实现主动调Q。所述光环行器5的第二输出端与偏振控制器12的输入端连接，偏振控制器12的输出端与输出耦合器11的输入端连接，输出耦合器11的90％输出端与带宽和波长可调谐滤波器10的输入端连接，带宽和波长可调谐滤波器10的输出端与波分复用器8的另一输入端连接形成光纤环形激光腔。所述石墨烯电光调制器2采用空间耦合方式耦合连接于光纤环形激光腔，激光以垂直于石墨烯平面的法线方向入射，实现与调制器的耦合，有效降低了插入损耗，保证了较低阈值下的脉冲激光输出。所述端面反射镜1为镀有金属薄膜的全反射镜，将激光再次反射回光纤环形激光腔内。所述光隔离器6用于保证激光在环形腔内的单向传输。所述光环行器5用于将石墨烯电光调制器2与光纤激光腔进行耦合连接，光束进入光环行器5的第①端后经光环行器5的第②端输出，光束进入光环行器5的第②端后经光环行器5的第③端输出，为保证环形腔内激光的单向传输，本发明中的光环行器为准环行器，也就是光束进入光环行器5的第③端后不会从其第①端输出，这样进入光环行器5输入端(图中第①端)的激光将从光环行器的第一输出端(图中第②端)输出至主动调Q单元，经主动调Q单元进行脉冲调制后的激光将再次从光环行器的第一输出端(图中第②端)进入光环行器并从光环行器的第二输出端(图中第③端)输出至光纤环形腔内，实现了主动调Q单元与光纤环行腔的耦合连接。所述偏振控制器12可以调节腔内激光偏振态，使激光器运转在最佳模式。所述输出耦合器11具有一个输入端、两个输出端，其10％输出端将调Q激光脉冲输出，90％输出端与带宽和波长可调谐滤波器10连接。所述带宽和波长可调谐滤波器10可以实现调Q激光波长的连续可调谐输出。所采用的有源掺杂光纤为可激发波长位于近红外波段的钕、铒、铥、钬等稀土离子掺杂光纤，所采用的波分复用器、偏振控制器、光环行器、输出耦合器等光学元件的工作波长与有源掺杂光纤所激发的激光波段一致。所述石墨烯电光调制器基于外加周期性电压的方式实现对石墨烯材料光学吸收的主动调制，调制电压为正弦波或矩形波信号。所述波分复用器8、有源掺杂光纤7、光隔离器6、光环行器5、偏振控制器12、输出耦合器11、带宽和波长可调谐滤波器10一起构成光纤环形激光腔。

第二优选实施方式

附图3给出了基于石墨烯电光调制的主动调Q宽带波长可调谐线形腔光纤激光器的结构，包括端面反射镜1、石墨烯电光调制器2、聚焦透镜3、准直透镜4、带宽和波长可调谐滤波器5、偏振控制器6、泵浦源7、波分复用器8、有源掺杂光纤9和光纤输出耦合器10，如图2所示，泵浦源7与波分复用器8的泵浦输入端连接，波分复用器8的一个输出端与有源掺杂光纤9的一端相连接，有源掺杂光纤9的另一端与光纤输出耦合器10的输入端连接，光纤输出耦合器10的另外两端相接形成光纤全反射镜，波分复用器8的另一端与偏振控制器6的输入端相连，偏振控制器6的输出端与带宽和波长可调谐滤波器5的输入端相连，带宽和波长可调谐滤波器5的输出端与准直透镜4连接，处于准直透镜的焦点位置，通过准直透镜将光纤输出的发散光束转换为平行光，准直透镜4后面放置聚焦透镜3，准直后的平行光被聚焦透镜聚焦于其焦点，在聚焦透镜的焦点处放置端面反射镜将激光反馈回光纤激光腔内，所述石墨烯电光调制器2放置于聚焦透镜3与端面反射镜1之间或放置于准直透镜4与聚焦透镜3之间。所述石墨烯电光调制器2采用空间耦合方式耦合连接于光纤线形激光腔，激光以垂直于石墨烯平面的法线方向入射，实现与调制器的耦合，有效降低了插入损耗，保证了较低阈值下的脉冲激光输出。所述端面反射镜1为镀有金属薄膜的全反射镜，将激光再次反射回光纤线形激光腔内，端面反射镜1和光纤输出耦合器10组成线形激光腔的两个反射镜实现腔内的光学反馈。所述聚焦透镜3和准直透镜4组成聚焦耦合系统，所述石墨烯电光调制器2、聚焦耦合系统和端面反射镜1共同构成所述主动调Q单元，通过聚焦耦合系统将石墨烯电光调制器2耦合于光纤线形腔，实现主动调Q。所述偏振控制器6可以调节腔内激光偏振态，使激光器运转在最佳模式。所述光纤输出耦合器10具有四个端口，第一端口和第四端口分别提供90％和10％的光束传输，其第一端口(90％端)与有源掺杂光纤9连接，第四端口(10％端)将光纤线形腔内调Q激光脉冲的10％输出，第二端口和第三端口对接形成光纤全反射镜，从而经第一端口进入的激光经第二端口输出、并经第三端口输入，然后经90％经第一端口输出，10％经第四端口输出。所述带宽和波长可调谐滤波器5可以实现调Q激光波长的连续可调谐输出。所采用的有源掺杂光纤为可激发波长位于近红外波段的钕、铒、铥、钬等稀土离子掺杂光纤，所采用的波分复用器、偏振控制器等光学元件的工作波长与有源掺杂光纤所激发的激光波段一致。所述石墨烯电光调制器基于外加周期性电压的方式实现对石墨烯材料光学吸收的主动调制，调制电压为正弦波或矩形波信号。所述波分复用器8、有源掺杂光纤9、偏振控制器6、光纤输出耦合器10、带宽和波长可调谐滤波器5及主动调Q单元一起构成线形激光腔。

本发明所述的主动调Q光纤激光器首次将石墨烯电光调制器耦合于光纤激光器中，石墨烯电光调制器以石英为衬底，激光束以垂直于石墨烯原子层的方式与调制器耦合，在外加周期性电压调制下，结合不同的谐振腔结构实现了一种全新结构的稳定性好、成本低廉、脉冲重复频率连续可调谐、输出波长连续可调谐、输出脉冲能量大的主动调Q光纤激光器。

最后给出本发明所述主动调Q光纤激光器的相关运行效果，上述主动调Q宽带波长可调谐环形腔光纤激光器和主动调Q宽带波长可调谐线形腔光纤激光器都能够达到下面所述的运行效果。

首先附图4给出了石墨烯电光调制器的光学吸收率随调制电压的变化关系，以半导体激光二极管产生的波长为1550nm的连续激光作为测试光源，入射光功率为1mW，石墨烯电光调制器通过直流偏压调制改变光学吸收特性，透射光功率采用分辨率为1nW的功率计测量，通过对石墨烯电光调制器所加电压的变化可得到在0-10V电压范围的调制深度变化曲线，可见石墨烯电光调制器对入射光的吸收是调制电压的函数，在主动调Q激光器运转中，调Q脉冲可以通过调制电压的方波或正弦波信号的频率调制来启动，调Q脉冲泵浦阈值仅有21.1mW，得益于石墨烯电光调制器较小的插入损耗；当调制电压的幅值大于5V时，调Q脉冲即可自主启动，通过逐渐增加调制电压振幅可以使激光器工作在更稳定的状态，石墨烯电光调制器的这种光学吸收调制特性能够很好的满足主动调Q光纤激光器的调制应用要求。

附图5给出了10V调制电压下的调Q激光脉冲输出序列及调制电压的时域波形，可见调Q脉冲与调制电压始终保持同步。图6所示为通过带宽和波长滤波器对激光器的输出光谱进行调谐得到的中心波长从1524.6nm到1561.7nm的不同输出光谱，这些光谱的半高全宽均为0.05nm左右。分析图7和图8可知，调Q激光的输出脉冲宽度不仅与泵浦功率相关，还受调制频率影响，当调制电压频率保持36.5kHz时，脉冲宽度随泵浦功率的增加逐渐减小，相反当泵浦功率保持最高的51.1mW时，脉冲宽度随调制电压频率的增加而变大，在调Q稳定运转的功率和调制频率范围，通过控制电压频率和泵浦功率可获得的最小脉冲宽度为2.3μs。图9所示为调制电压频率为36.5kHz时，调Q激光脉冲的输出功率和脉冲能量随泵浦功率的变化关系图，最大泵浦功率、最大输出功率和最大脉冲能量分别为51.1mW、1.71mW和46.8nJ；图10所示为调Q激光器的输出频谱图，从中可以看出调Q脉冲序列的重复频率为36.5kHz，频率信号的信噪比为48dB，表明激光器的稳定性极高。

通过上述实验数据可以看出，本发明创新提出基于石墨烯电光调制的主动调Q宽带波长可调谐光纤激光器利用了石墨烯的线性吸收效应对腔内损耗进行调制的工作机理，基于石墨烯电光调制的优越特性，使得本发明所述主动调Q光纤激光器相对于传统基于主动电光调制晶体和被动可饱和吸收体的调Q激光器，具有工作波长宽、调制深度可控、稳定性好、结构紧凑等诸多优点，同时通过采用不同稀土离子有源掺杂光纤，可获得不同输出波长、不同输出重复频率、不同脉冲宽度及不同脉冲能量的调Q脉冲激光，通过调节带宽和波长可调谐滤波器的滤波参数，可以使激光脉冲序列具有连续可调谐的输出波长，可以实现输出中心波长从1500nm到1600nm间的波长调谐，且输出光谱的半高全宽处于0.05nm以内，最小脉冲宽度可达到2.3μs，调Q脉冲序列的重复频率可达36.5kHz，频率信号的信噪比为48dB，这些性能参数均远远优越于传统的基于主动电光调制晶体和被动可饱和吸收体的调Q激光器。总之本发明所述基于石墨烯电光调制的主动调Q宽带波长可调谐光纤激光器具有大的脉冲能量、可控的脉冲重复频和连续可调谐的输出波长，在工业应用中也表现出巨大的竞争优势及光明前景，市场前景广阔。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯电光调制的主动调Q光纤激光器，其特征在于，包括泵浦源、有源掺杂光纤、石墨烯电光调制器和聚焦耦合系统，所述泵浦源耦合连接于所述有源掺杂光纤，所述石墨烯电光调制器通过聚焦耦合系统耦合连接于所述有源掺杂光纤，所述有源掺杂光纤经泵浦源泵浦激活后产生的激光光束以往返透射的方式与石墨烯电光调制器发生作用，所述石墨烯电光调制器基于外部调制电压对石墨烯材料光学吸收性能的调制作用来实现对激光器Q值的主动调制。

2.根据权利要求1所述的主动调Q光纤激光器，其特征在于，所述石墨烯电光调制器具有平板电容型结构，包括相互绝缘间隔的上下石墨烯层，外部调制电压分别施加于上下石墨烯层，外部调制电压为周期性调制电压，激光光束垂直于石墨烯层入射。

3.根据权利要求1或2所述的主动调Q光纤激光器，其特征在于，所述石墨烯电光调制器包括光学衬底(21)、下层石墨烯(22)、底层金属电极(23)、绝缘层(24)、上层石墨烯(25)和顶层金属电极(26)，所述下层石墨烯(22)处于所述光学衬底(21)上，所述绝缘层(24)处于所述下层石墨烯(22)上，所述上层石墨烯(25)处于所述绝缘层(24)上，所述底层金属电极(23)电性连接于所述下层石墨烯(22)，所述顶层金属电极(26)电性连接于所述上层石墨烯(25)，所述下层石墨烯(22)和上层石墨烯(25)通过所述绝缘层(24)相互绝缘间隔。

4.根据权利要求3所述的主动调Q光纤激光器，其特征在于，所述底层金属电极(23)按照预定电极图案形成于所述下层石墨烯(22)上，所述顶层金属电极(26)按照预定的电极图案形成于所述上层石墨烯(25)上，且所述底层金属电极(22)的正上方未设置有所述上层石墨烯(25)，所述顶层金属电极(26)的正下方未设置有所述下层石墨烯(22)，所述上层石墨烯(25)和下层石墨烯(22)除电极形成部位之外上下正对设置。

5.根据权利要求1-4任一项所述的主动调Q光纤激光器，其特征在于，还包括有：光环行器(5)、光隔离器(6)、波分复用器(8)、带宽和波长可调谐滤波器(10)、输出耦合器(11)和偏振控制器(12)，所述波分复用器(8)、有源掺杂光纤(7)、光隔离器(6)、光环行器(5)、偏振控制器(12)、输出耦合器(11)和带宽和波长可调谐滤波器(10)连接成环形光纤激光腔，所述泵浦源(9)通过所述波分复用器(8)耦合连接于所述环形光纤激光腔，所述输出耦合器(11)提供激光输出，所述石墨烯电光调制器通过聚焦耦合系统和光环行器(5)耦合连接于所述环形光纤激光腔。

6.根据权利要求5所述的主动调Q光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源(9)与所述波分复用器(8)的第一输入端耦合连接，所述波分复用器(8)的输出端与有源掺杂光纤(7)的一端连接，所述有源掺杂光纤(7)的另一端与所述光隔离器(6)的输入端连接，所述光隔离器(6)的输出端与所述光环行器(5)的第一端口连接，所述光环行器(5)的第二端口与所述聚焦耦合系统耦合连接，所述光环行器(5)的第三端口与所述偏振控制器(12)的输入端连接，所述偏振控制器(12)的输出端与所述输出耦合器(11)的输入端连接，所述输出耦合器(11)的第一输出端与所述带宽和波长可调谐滤波器(10)的输入端连接，所述带宽和波长可调谐滤波器(10)的输出端与所述波分复用器(8)的第二输入端连接，所述输出耦合器(11)的第二输出端提供激光输出。

7.根据权利要求6所述的主动调Q光纤激光器，其特征在于，还包括有端面反射镜(1)，所述聚焦耦合系统包括聚焦透镜(3)和准直透镜(4)，所述光环行器(5)的第二端口位于所述准直透镜(4)的焦点位置，所述聚焦透镜(3)设置于所述准直透镜(4)的后方，所述端面反射镜(1)设置于所述聚焦透镜(3)的后方，并位于所述聚焦透镜(3)的焦点位置，所述石墨烯电光调制器(2)设置于所述聚焦透镜(3)与所述端面反射镜(1)之间或者设置于所述聚焦透镜(3)与所述准直透镜(4)之间，通过所述端面反射镜(1)将经石墨烯电光调制器(2)调制后的激光反馈回环形光纤激光腔内。

8.根据权利要求1-4任一项所述的主动调Q光纤激光器，其特征在于，还包括有端面反射镜(1)、带宽和波长可调谐滤波器(5)、偏振控制器(6)、波分复用器(8)和光纤输出耦合器(10)，所述端面反射镜(1)、聚焦耦合系统、石墨烯电光调制器(2)、带宽和波长可调谐滤波器(5)、偏振控制器(6)、波分复用器(8)、有源掺杂光纤(9)和光纤输出耦合器(10)组成线形光纤激光腔，所述泵浦源通过所述波分复用器(8)耦合连接于所述线形光纤激光腔，所述端面反射镜(1)和所述光纤输出耦合器(10)分别作为所述线形光纤激光腔的前后腔镜提供腔内的光学反馈，并由所述光纤输出耦合器(10)提供激光输出。

9.根据权利要求8所述的主动调Q光纤激光器，其特征在于，所述聚焦耦合系统包括聚焦透镜(3)和准直透镜(4)，所述波分复用器(8)具有三个端口，第一端口作为泵浦输入端，第二端口和第三端口均作为激光输入/输出端，所述光纤输出耦合器(10)具有四个端口，第二端口和第三端口对接形成光纤全反射镜，第一端口作为激光输入/输出端，第四端口作为激光输出端，所述泵浦源(7)与所述波分复用器(8)的第一端口耦合连接，所述波分复用器(8)的第二端口与有源掺杂光纤(9)的一端连接，所述有源掺杂光纤(9)的另一端与所述光纤输出耦合器(10)的第一端口连接，所述波分复用器(8)的第三端口与所述偏振控制器(6)的一端相连，所述偏振控制器(6)的另一端与所述带宽和波长可调谐滤波器(5)的一端连接，所述带宽和波长可调谐滤波器(5)的另一端处于所述准直透镜(4)的焦点位置，所述聚焦透镜(3)设置于所述准直透镜(4)的后方，所述端面反射镜(1)设置于所述聚焦透镜(3)的后方，并位于所述聚焦透镜(3)的焦点位置，所述石墨烯电光调制器(2)设置于所述聚焦透镜(3)与所述端面反射镜(1)之间或者设置于所述聚焦透镜(3)与所述准直透镜(4)之间，通过所述端面反射镜(1)将经石墨烯电光调制器(2)调制后的激光反馈回线形光纤激光腔内。

10.根据权利要求1-9任一项所述的主动调Q光纤激光器，其特征在于，所述主动调Q光纤激光器能够在1500nm到1600nm的宽带范围内实现波长可调谐输出，输出光谱半高全宽处于0.05nm以内，且所述主动调Q光纤激光器的输出激光脉冲序列与调制电压时域波形保持同步，在调制电压频率为36.5kHz时，输出激光最小脉冲宽度为2.3μs，最大输出功率为1.71mW，最大脉冲能量为46.8nJ，调制电压频率信号的信噪比为48dB。