CN102208738A - 石墨烯被动锁模光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯被动锁模光纤激光器，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)、增益光纤(3)、输出耦合器(4)、单模光纤(5)、环形器(6)、石墨烯可饱和吸收体(7)和偏振控制器(8)等。本发明采用石墨烯可饱和吸收体(7)作为被动锁模器件，不需要外界附加的调制源，可以实现高稳定性、高功率、高能量、高效率的超短脉冲激光输出。相对于半导体可饱和吸收镜(SESAM)和碳纳米管(SWNT)锁模技术，石墨烯可饱和吸收体具有价格低廉，制作简单，可饱和吸收光谱范围宽等优点，是一种更实用的锁模器件。

Description

石墨烯被动锁模光纤激光器

技术领域

本发明涉及一种石墨烯被动锁模光纤激光器，属于激光技术以及非线性光学领域。

背景技术

光纤激光器具有体积小、重量轻、转换效率高、输出光束质量好等优点，近年来得到了迅猛发展。特别是锁模光纤激光器由于能够产生高频率的超短脉冲，在光通信系统、光电传感、探测诊断、生物医学、精密微加工和和军事等众多领域有着广阔的前景。锁模技术主要可分为主动锁模、被动锁模以及混合锁模技术。其中被动锁模技术由于不需外界附加调制源，易于实现全光纤化的优势，成为研究的热点，有着重要的实际应用意义。

被动锁模技术产生皮秒或飞秒脉冲的基本原理是利用光纤或其他元件中的非线性光学效应对输入脉冲的强度依赖性，实现各纵模相位锁定，进而产生超短脉冲。通常实现被动锁模的技术有半导体可饱和吸收镜(SESAM)、碳纳米管(SWNT)等技术，但是这两种技术都存在一些不足。SESAM制作工艺复杂、生产成本高、可饱和吸收光谱范围相对较窄。SWNT虽然具有成本低廉、可饱和吸收光谱范围宽等优势，但是制作SWNT可饱和吸收体时其直径的不可控性，导致SWNT对某些特定的激光波长而言，增加了插入损耗，导致可饱和吸收效应不明显。

最近，石墨烯(graphene)材料被发现可作为一种新型的可饱和吸收体用于光纤激光器锁模。石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构建其他维度碳质材料(如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨)的基本单元。2004年，英国曼彻斯特大学的科学家安德烈·盖姆(AndreGeim)和康斯坦丁·诺沃肖罗夫(Konstantin Novoselov)首次通过机械剥离的方法从大块石墨上得到了这种纳米级的石墨烯薄片。由于石墨烯具有优异的电学、力学和光学性能，可望在高性能电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域得到广泛的应用。

发明内容

由于石墨烯可饱和吸收体具有制备简单、价格低廉、可饱和吸收光谱范围宽、锁模效果好等优点，因此本发明采用石墨烯作为可饱和吸收体用于光纤激光器锁模。很好的解决了半导体可饱和吸收镜(SESAM)和碳纳米管(SWNT)锁模技术中存在的制作工艺复杂、生产成本高、可饱和吸收光谱范围相对较窄等问题。本发明可以产生高重频、高能量的超短激光脉冲，经过放大后的锁模种子光可直接进行材料微加工，以及中红外激光器泵浦源等，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。主要包括泵浦源、波分复用光纤耦合器、增益光纤、输出耦合器、单模光纤、环形器、石墨烯可饱和吸收体、偏振控制器、隔离器、部分反射型光纤布拉格光栅、全反射型光纤布拉格光栅和反射镜等。上述的石墨烯锁模光纤激光器可采用环形腔或线形腔等结构。

一种石墨烯被动锁模光纤激光器，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的公共端连接增益光纤3；增益光纤3的另一端连接输出耦合器4；输出耦合器4有两路激光输出端口，一路作为激光的直接输出，另一路光连接到单模光纤5，单模光纤5与环形器6的输入端相连；石墨烯可饱和吸收体7位于环形器6的公共端；环形器6的输出端与偏振控制器8相连接，偏振控制器8又连接到波分复用光纤耦合器2的输入端；上述的波分复用光纤耦合器2、增益光纤3、输出耦合器4、单模光纤5、环形器6、偏振控制器8构成一个环形腔结构。

一种石墨烯被动锁模光纤激光器，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的公共端连接增益光纤3；增益光纤3的另一端连接隔离器9；隔离器9的输出端与输出耦合器4相连；输出耦合器4有两路激光输出，一路直接输出激光，另一路通过石墨烯可饱和吸收体7连接至偏振控制器8，偏振控制器8又连接到波分复用光纤耦合器2的输入端；上述的波分复用光纤耦合器2、增益光纤3、隔离器9、输出耦合器4、单模光纤5、石墨烯可饱和吸收体7、偏振控制器8构成一个环形腔结构。

一种石墨烯被动锁模光纤激光器，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的公共端连接部分反射型光纤布拉格光栅10；部分反射型光纤布拉格光栅10有两路光路输出，一路输出将激光沿原传播方向相反的方向反射，一路输出沿原光路传播方向连接至单模光纤5，单模光纤5的另一端与增益光纤3的一端相连，增益光纤3的另一端连接石墨烯可饱和吸收体7；部分反射型光纤布拉格光栅10和石墨烯可饱和吸收体7之间由部分反射型光纤布拉格光栅10、单模光纤5、增益光纤3、石墨烯可饱和吸收体7构成谐振腔；波分复用光纤耦合器2上留有一个腔内光输出的输出端口；

一种石墨烯被动锁模光纤激光器，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的公共端连接增益光纤3；增益光纤3与单模光纤5的一端相连，单模光纤5的另一端连接输出耦合器4；输出耦合器4上有两个输出端，一端直接输出激光，另一输出端连接全反射型光纤布拉格光栅11；全反射型光纤布拉格光栅11反射回的光沿原光路依次通过输出耦合器4、增益光纤3和波分复用光纤耦合器2的激光的出射端；石墨烯可饱和吸收体7置于波分复用光纤耦合器2)的另一输入端口；在全反射型光纤布拉格光栅11和石墨烯可饱和吸收体7之间由全反射型光纤布拉格光栅11、输出耦合器4、单模光纤5、增益光纤3、波分复用光纤耦合器2、石墨烯可饱和吸收体7构成谐振腔。

一种石墨烯被动锁模光纤激光器，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的公共端连接增益光纤3；增益光纤3的另一端连接单模光纤5的一端，单模光纤5的另一端与输出耦合器4相连；输出耦合器4有两路激光输出，一路将激光直接输出腔外，另一路将激光入射至全反射镜12，；全反射镜12)反射回的光沿原光路依次通过输出耦合器4、增益光纤3和波分复用光纤耦合器2的输出端；石墨烯可饱和吸收体7置于波分复用光纤耦合器2)的另一输入端口；在全反射镜12和石墨烯可饱和吸收体7之间由反射镜12、输出耦合器4、单模光纤5、增益光纤3、波分复用光纤耦合器2、石墨烯可饱和吸收体7构成谐振腔。

上述的泵浦源1可以是半导体激光器、固体激光器、光纤激光器或者拉曼激光器，输出泵浦光的中心波长λ的范围为：700nm≤λ≤2000nm。

上述的增益光纤3是掺有稀土元素中一种或多种的光纤或光子晶体光纤。

上述的输出耦合器4的输出比为R∶1-R)，其中0＜R＜1。

上述的石墨烯可饱和吸收体7采取机械分离、化学剥离或气相沉积的制备方法制得；其组成成分包括石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯有机物。

上述的全反射镜12包括镀金反射镜、镀银反射镜、镀介质反射镜。

本发明石墨烯被动锁模光纤激光器具有以下优点：

1、本发明采用被动锁模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。

2、本发明采用石墨烯可饱和吸收体作为锁模器件，降低了锁模器件的制造成本和工艺难度，扩大了可饱和吸收光谱范围。

3、本发明可以输出稳定性高、重复频率高、脉冲能量大的超短脉冲激光，易于实现产业化。

附图说明

图1为实施例1中的石墨烯被动锁模光纤激光器的结构图。

图2为实施例2中的石墨烯被动锁模光纤激光器的结构图。

图3为实施例3中的石墨烯被动锁模光纤激光器的结构图。

图4为实施例4中的石墨烯被动锁模光纤激光器的结构图。

图5为实施例5中的石墨烯被动锁模光纤激光器的结构图。

图中：1、泵浦源，2、波分复用光纤耦合器，3、掺稀土光纤，4、输出耦合器，5、单模光纤，6、环形器，7、石墨烯可饱和吸收体，8、偏振控制器，9、隔离器，10、部分反射型光纤布拉格光栅，11、全反射型光纤布拉格光栅，12、平面反射镜。

具体实施方式

下面结合图示1-5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

一种石墨烯被动锁模光纤激光器结构如图1所示。图1中，1为泵浦源，可选用中心波长为974nm的半导体激光二极管；2为波分复用光纤耦合器，可采用熔融拉锥型980/1550nm泵浦光波分复用耦合器；3是掺稀土光纤，可选用美国Nufern公司生产的高性能掺铒光纤；4为耦合器，可采用1×2标准单模光纤耦合器，分光比为5∶5；5为单模光纤，可采用美国Nufern公司生产的高性能单模光纤；6是环形器，可采用C+L波段(1530-1610nm)三端口偏振无关光环行器；7是石墨烯可饱和吸收体，可以通过沉积石墨烯-PVA(石墨烯-聚乙烯醇)溶液的方法来得到；8是偏振控制器，可采用三环型机械式光纤偏振控制器。

其中，中心波长为974nm的半导体激光二极管是激光器的泵浦源1。泵浦光通过波分复用光纤耦合器2的泵浦端进入长度为3m的掺铒光纤3，然后到达分光比为5∶5的耦合器5。50％的激光输出腔外，50％的光继续在谐振腔中运行。由于光只能单向顺序通过环形器6的三个端口，因而光由环形器6端口1进入，通过环形器6端口2到达石墨烯可饱和吸收体7，反射回来的光再通过环形器6端口2，到达环形器6端口3。石墨烯可饱和吸收体7是锁模装置，置于环形器6的端口2后，通过调节两者间的距离可以调节光的耦和效率。调节偏振控制器8可以优化锁模的结果，使得锁模脉冲更稳定。该环形腔总腔长为500m。

实施例2

一种石墨烯被动锁模光纤激光器结构如图2所示。图2中，1为泵浦源，可选用中心波长为974nm的半导体激光二极管；2为波分复用光纤耦合器，可采用熔融拉锥型980/1550nm泵浦光波分复用耦合器；3是掺稀土光纤，可选用美国Nufern公司生产的高性能掺铒光纤；5为单模光纤，可采用美国Nufern公司生产的高性能单模光纤；7是石墨烯可饱和吸收体；8是偏振控制器，可采用三环型机械式光纤偏振控制器；9是隔离器，可采用偏振无关光隔离器。

其中，中心波长为974nm半导体激光二极管是激光器的泵浦源1。泵浦光通过波分复用光纤耦合器2的泵浦端进入长度为3m的掺铒光纤3。然后通过隔离器9到达分光比为5∶5的耦合器5。50％的激光输出腔外，50％的光继续在谐振腔中运行。再通过石墨烯可饱和吸收体7和偏振控制器8回到波分复用光纤耦合器，形成环形腔。隔离器9用于保证光在腔内单向运行，石墨烯可饱和吸收体7用于实现锁模产生超短脉冲，偏振控制器8用于优化锁模结果。该环形腔总腔长为200m。

实施例3

一种石墨烯被动锁模光纤激光器结构如图3所示。图3中，1为泵浦源，可选用中心波长为974nm的半导体激光二极管；2为波分复用光纤耦合器，可采用熔融拉锥型980/1550nm泵浦光波分复用耦合器；3是掺稀土光纤，可选用美国Nufern公司生产的高性能掺铒光纤；5为单模光纤，可采用美国Nufern公司生产的高性能单模光纤；7是石墨烯可饱和吸收体；10是部分反射型光纤布拉格光栅(FBG)，可选用反射率为20％的FBG。

其中，中心波长为974nm半导体激光二极管是激光器的泵浦源1。泵浦光通过波分复用光纤耦合器2的泵浦端到达部分反射型光纤布拉格光栅(FBG)10。该部分反射型光纤布拉格光栅10反射率为20％，即20％的激光被反射回去，剩余80％的光进入长度为3m的掺铒光纤3，然后到达石墨烯可饱和吸收体7。因而在部分反射型光纤布拉格光栅10和石墨烯可饱和吸收体7之间形成谐振腔。腔内激光通过波分复用光纤耦合器的一端输出。该线形腔总腔长为20m。

实施例4

一种石墨烯被动锁模光纤激光器结构如图4所示。图4中，1为泵浦源，可选用中心波长为974nm的半导体激光二极管；2为波分复用光纤耦合器，可采用熔融拉锥型980/1550nm泵浦光波分复用耦合器；3是掺稀土光纤，可选用美国Nufern公司生产的高性能掺铒光纤；4为耦合器，可采用1×2标准单模光纤耦合器，分光比为5∶5；5为单模光纤，可采用美国Nufern公司生产的高性能单模光纤；7是石墨烯可饱和吸收体；11是全反射型光纤布拉格光栅(FBG)。

其中，中心波长为974nm半导体激光二极管是激光器的泵浦源1。泵浦光通过波分复用光纤耦合器2的泵浦端进入长度为3m的掺铒光纤3，然后到达分光比为5∶5的耦合器4。其中50％的光被输出，剩余50％的光通过单模光纤传输到达全反射型光纤布拉格光栅(FBG)11，反射光依次通过耦合器4、掺铒光纤3和波分复用光纤耦合器2到达石墨烯可饱和吸收体7。因而在全反射型光纤布拉格光栅11和石墨烯可饱和吸收体7之间形成谐振腔。该线形腔的腔长为30m。

实施例5

一种石墨烯被动锁模光纤激光器结构如图5所示。图5中，1为泵浦源，可选用中心波长为974nm的半导体激光二极管；2为波分复用光纤耦合器，可采用熔融拉锥型980/1550nm泵浦光波分复用耦合器；3是掺稀土光纤，可选用美国Nufern公司生产的高性能掺铒光纤；4为耦合器，可采用1×2标准单模光纤耦合器，分光比为5∶5；5为单模光纤，可采用美国Nufern公司生产的高性能单模光纤；7是石墨烯可饱和吸收体；12是平面反射镜。

其中，中心波长为974nm半导体激光二极管是激光器的泵浦源1。泵浦光通过波分复用光纤耦合器2的泵浦端进入长度为3m的掺铒光纤3。然后到达分光比为5∶5的耦合器4。其中50％的光被输出，剩余50％的光通过单模光纤传输到达平面反射镜12。反射光依次通过耦合器4、掺铒光纤3和波分复用光纤耦合器2到达石墨烯可饱和吸收体7。因而在平面反射镜12和石墨烯可饱和吸收体7之间形成谐振腔。该线形腔的腔长为30m。

Claims (10)

1.一种石墨烯被动锁模光纤激光器，其特征在于：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)的公共端连接增益光纤(3)；增益光纤(3)的另一端连接输出耦合器(4)；输出耦合器(4)有两路激光输出端口，一路作为激光的直接输出，另一路光连接到单模光纤(5)，单模光纤(5)与环形器(6)的输入端相连；石墨烯可饱和吸收体(7)位于环形器(6)的公共端；环形器(6)的输出端与偏振控制器(8)相连接，偏振控制器(8)又连接到波分复用光纤耦合器(2)的输入端；上述的波分复用光纤耦合器(2)、增益光纤(3)、输出耦合器(4)、单模光纤(5)、环形器(6)、偏振控制器(8)构成一个环形腔结构。

2.一种石墨烯被动锁模光纤激光器，其特征在于：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)的公共端连接增益光纤(3)；增益光纤(3)的另一端连接隔离器(9)；隔离器(9)的输出端与输出耦合器(4)相连；输出耦合器(4)有两路激光输出，一路直接输出激光，另一路通过石墨烯可饱和吸收体(7)连接至偏振控制器(8)，偏振控制器(8)又连接到波分复用光纤耦合器(2)的输入端；上述的波分复用光纤耦合器(2)、增益光纤(3)、隔离器(9)、输出耦合器(4)、单模光纤(5)、石墨烯可饱和吸收体(7)、偏振控制器(8)构成一个环形腔结构。

3.一种石墨烯被动锁模光纤激光器，其特征在于：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)的公共端连接部分反射型光纤布拉格光栅(10)；部分反射型光纤布拉格光栅(10)有两路光路输出，一路输出将激光沿原传播方向相反的方向反射，一路输出沿原光路传播方向连接至单模光纤(5)，单模光纤(5)的另一端与增益光纤(3)的一端相连，增益光纤(3)的另一端连接石墨烯可饱和吸收体(7)；部分反射型光纤布拉格光栅(10)和石墨烯可饱和吸收体(7)之间由部分反射型光纤布拉格光栅(10)、单模光纤(5)、增益光纤(3)、石墨烯可饱和吸收体(7)构成谐振腔；波分复用光纤耦合器(2)上留有一个腔内光输出的输出端口。

4.一种石墨烯被动锁模光纤激光器，其特征在于：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)的公共端连接增益光纤(3)；增益光纤(3)与单模光纤(5)的一端相连，单模光纤(5)的另一端连接输出耦合器(4)；输出耦合器(4)上有两个输出端，一端直接输出 激光，另一输出端连接全反射型光纤布拉格光栅(11)；全反射型光纤布拉格光栅(11)反射回的光沿原光路依次通过输出耦合器(4)、增益光纤(3)和波分复用光纤耦合器(2)的激光的出射端；石墨烯可饱和吸收体(7)置于波分复用光纤耦合器(2)的另一输入端口；在全反射型光纤布拉格光栅(11)和石墨烯可饱和吸收体(7)之间由全反射型光纤布拉格光栅(11)、输出耦合器(4)、单模光纤(5)、增益光纤(3)、波分复用光纤耦合器(2)、石墨烯可饱和吸收体(7)构成谐振腔。

5.一种石墨烯被动锁模光纤激光器，其特征在于：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)的公共端连接增益光纤(3)；增益光纤(3)的另一端连接单模光纤(5)的一端，单模光纤(5)的另一端与输出耦合器(4)相连；输出耦合器(4)有两路激光输出，一路将激光直接输出腔外，另一路将激光入射至全反射镜(12)，；全反射镜(12)反射回的光沿原光路依次通过输出耦合器(4)、增益光纤(3)和波分复用光纤耦合器(2)的输出端；石墨烯可饱和吸收体(7)置于波分复用光纤耦合器(2)的另一输入端口；在全反射镜(12)和石墨烯可饱和吸收体(7)之间由反射镜(12)、输出耦合器(4)、单模光纤(5)、增益光纤(3)、波分复用光纤耦合器(2)、石墨烯可饱和吸收体(7)构成谐振腔。

6.根据权利要求1、2、3、4、5所述的一种石墨烯被动锁模光纤激光器，其特征在于：所述的泵浦源(1)可以是半导体激光器、固体激光器、光纤激光器或者拉曼激光器，输出泵浦光的中心波长λ的范围为：700nm≤λ≤2000nm。

7.根据权利要求1、2、3、4、5所述的石墨烯被动锁模光纤激光器，其特征在于：所述的增益光纤(3)是掺有稀土元素中一种或多种的光纤或光子晶体光纤。

8.根据权利要求1、2、3、5所述的一种石墨烯被动锁模光纤激光器，其特征在于：所述的输出耦合器(4)的输出比为R∶(1-R)，其中0＜R＜1。

9.根据权利要求1、2、3、4、5所述的一种石墨烯被动锁模光纤激光器，其特征在于：所述的石墨烯可饱和吸收体(7)采取机械分离、化学剥离或气相沉积的制备方法制得；其组成成分包括石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯有机物。

10.根据权利要求5所述的一种石墨烯锁模光纤激光器，其特征在于：所述的全反射镜(12)包括镀金反射镜、镀银反射镜、镀介质反射镜。 

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