CN102244351A - 基于单壁碳纳米管的被动锁模器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于光纤激光器设计技术领域，提供了一种基于单壁碳纳米管的被动锁模器件及其制备方法。其中的被动锁模器件包括光子晶体光纤；所述光子晶体光纤的包层空气孔中填充有单壁碳纳米管。由于本发明提供的基于单壁碳纳米管的被动锁模器件将单壁碳纳米管应用于光子晶体光纤中，而光子晶体光纤的包层是由一系列空气孔组成，对温度不敏感，具有良好的温度稳定性，可以增加单壁碳纳米管和光纤纤芯传导模的倏逝场在激光器谐振腔中的相互作用长度，而且避免了纤芯光场对单壁碳纳米管产生热损伤。同时由于光子晶体光纤的色散设计具有较大的灵活性，可以补偿激光器谐振腔中其它元件引入的色散，从而保证了激光器的稳定性和输出的超短脉冲的质量。
Description
技术领域
本发明属于光纤激光器设计技术领域，尤其涉及一种基于单壁碳纳米管的被动锁模器件及其制备方法。
背景技术
激光锁模是指产生超短脉冲激光的技术，包括主动锁模和被动锁模。其中的被动锁模是指利用被动锁模器件的非线性吸收特性来产生皮秒量级或飞秒量级的超短脉冲激光的技术。由于应用被动锁模技术的被动锁模光纤激光器具有结构简单紧凑、稳定性高、脉冲质量高、效率高、成本低、容易维护等优点，因此被广泛应用于光纤通信、光信号处理与传感、光谱度量学、三维光存储、超连续谱光源、生物光子学、激光医疗等领域。
传统的被动锁模器件有非线性光纤环形镜、非线性偏振旋转控制开关和半导体可饱和吸收镜等，其中的半导体可饱和吸收镜应用较广泛。然而，由于半导体可饱和吸收镜的制备需要应用到超净间、金属有机化合物气相淀积、金属有机气相外延或分子束外延等专业、复杂的半导体器件生产设备，使得其制备成本较高。
为此，现有技术提供了一种被动锁模器件。相对于传统的半导体可饱和吸收镜，单壁碳纳米管的制备处理容易、成本低、且易于全封闭封装。目前的被动锁模器件是通过单壁碳纳米管(SWCNTs)在激光器谐振腔中直接与传输光场相互作用，利用其可饱和吸收特性实现对激光的被动锁模的。然而，由于激光器谐振腔中非常高的光功率密度会对单壁碳纳米管产生热损伤，因此，现有技术提供的该种被动锁模器件在产生高能量脉冲方面受到限制；此外，该种被动锁模器件还会在谐振腔中引入额外的插入损耗和有害的反射光，而且直接物理接触也会对单壁碳纳米管产生损伤，使激光器的稳定性和输出脉冲质量得不到保障。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单壁碳纳米管的被动锁模器件，旨在使激光器能产生稳定的高质量和高功率的脉冲。
本发明是这样实现的，所述被动锁模器件包括光子晶体光纤；所述光子晶体光纤的包层空气孔中填充有单壁碳纳米管。
本发明还提供了一种如上所述的基于单壁碳纳米管的被动锁模器件的制备方法，包括以下步骤：
制备单壁碳纳米管与聚合物材料的混合溶液，所述聚合物材料对激光波长的折射率小于石英玻璃对激光波长的折射率；
将所述混合溶液注入光子晶体光纤的包层空气孔；
通过光纤熔接机将所述光子晶体光纤与一单模光纤连接并封装。
所述制备单壁碳纳米管与聚合物材料的混合溶液的步骤具体可以包括以下步骤：
将单壁碳纳米管粉体分散于二氯代苯溶液；
将分散后的所述二氯代苯溶液与所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液混合。
所述方法在所述将分散后的所述二氯代苯溶液与所述聚合物材料的溶液混合的步骤之前，还可以包括以下步骤：对所述单壁碳纳米管粉体施加超声波。
上述方法在所述将所述混合溶液注入光子晶体光纤的包层空气孔的步骤之后，还可以包括以下步骤：将包层空气孔注入有所述混合溶液的光子晶体光纤在真空炉中进行干燥。
本发明还提供了一种光纤激光器，包括输出具有第一波长值的泵浦光的泵浦源、谐振腔、第二光隔离单元和输出端，所述谐振腔为单向环形谐振腔，所述谐振腔包括：作为增益物质的掺铒离子的单模光纤，用于将所述泵浦源输出的具有所述第一波长值的泵浦光转换成具有第二波长值的激光；光纤偏振控制单元；第一光隔离单元；对输入的激光进行被动锁模，以得到超短脉冲激光的第一基于单壁碳纳米管的被动锁模器件；将所述第一基于单壁碳纳米管的被动锁模器件锁模得到的一部分所述超短脉冲激光输出给所述第二光隔离单元的光纤耦合单元；置于所述第一基于单壁碳纳米管的被动锁模器件锁模得到的另一部分所述超短脉冲激光传输光路上的单模光纤；光纤波分复用单元；所述光纤波分复用单元、掺铒离子的单模光纤、光纤偏振控制单元、第一光隔离单元、第一被动锁模器件、光纤耦合单元和单模光纤沿所述谐振腔中激光传输的方向顺次排列；
所述第一被动锁模器件为如上所述的被动锁模器件，且所述光子晶体光纤是纤芯没有掺铒离子的无源光纤。
本发明还提供了一种光纤激光器，包括输出具有第一波长值的泵浦光的泵浦源、谐振腔、第二光隔离单元和输出端，所述谐振腔为单向环形谐振腔，所述谐振腔包括：对输入的激光进行被动锁模，以得到超短脉冲激光，同时将所述泵浦源输出的具有所述第一波长值的泵浦光转换成具有第二波长值的激光的第二基于单壁碳纳米管的被动锁模器件；光纤偏振控制单元；第一光隔离单元；将所述第一光隔离单元得到的一部分所述超短脉冲激光输出给所述第二光隔离单元的光纤耦合单元；置于所述第一光隔离单元得到的另一部分所述超短脉冲激光传输光路上的单模光纤；光纤波分复用单元；所述光纤波分复用单元、第二基于单壁碳纳米管的被动锁模器件、光纤偏振控制单元、第一光隔离单元、光纤耦合单元和单模光纤沿所述谐振腔中激光传输的方向顺次排列；
所述第二基于单壁碳纳米管的被动锁模器件为如上所述的基于单壁碳纳米管的被动锁模器件，且所述光子晶体光纤是纤芯掺有铒离子的有源光纤。
由于本发明提供的基于单壁碳纳米管的被动锁模器件将单壁碳纳米管应用于光子晶体光纤中，而光子晶体光纤的包层是由一系列空气孔组成，对温度不敏感，具有良好的温度稳定性，可以增加单壁碳纳米管和光纤纤芯传导模的倏逝场在激光器谐振腔中的相互作用长度，而且避免了对单壁碳纳米管产生热损伤。同时由于光子晶体光纤的色散设计具有较大的灵活性，可以补偿激光器谐振腔中其它元件引入的色散，实现灵活的谐振腔色散管理和优良的锁模效果，从而保证了激光器的稳定性和输出的超短脉冲的质量。
附图说明
图1是本发明提供的基于单壁碳纳米管的被动锁模器件的制备方法流程图；
图2是本发明第一实施例提供的光纤激光器的结构图；
图3是本发明第二实施例提供的光纤激光器的结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的基于单壁碳纳米管的被动锁模器件为保证激光器能产生稳定的高质量和高功率的脉冲，采用了将单壁碳纳米管与光子晶体光纤(PhotonicCrystal Fiber，PCF)相结合的技术。
本发明提供的基于单壁碳纳米管的被动锁模器件包括：光子晶体光纤，该光子晶体光纤既可以是纤芯掺有铒离子的有源光纤，也可以是纤芯没有掺铒离子的无源光纤；该光子晶体光纤包层空气孔中填充有单壁碳纳米管。该基于单壁碳纳米管的被动锁模器件是通过单壁碳纳米管与光纤纤芯传导模的倏逝场相互作用而实现对经过其中的激光的锁模的。
由于本发明提供的基于单壁碳纳米管的被动锁模器件将单壁碳纳米管应用于光子晶体光纤中，而光子晶体光纤的包层是由一系列空气孔组成，对温度不敏感，具有良好的温度稳定性，可以增加单壁碳纳米管和光纤纤芯传导模的倏逝场在激光器谐振腔中的相互作用长度，而且避免了对单壁碳纳米管产生热损伤。同时由于光子晶体光纤的色散设计具有较大的灵活性，可以补偿激光器谐振腔中其它元件引入的色散，实现灵活的谐振腔色散管理和优良的锁模效果，从而保证了激光器的稳定性和输出的超短脉冲的质量。
本发明还提供了一种如上所述的基于单壁碳纳米管的被动锁模器件的制备方法，如图1示出了该制备方法的流程，包括以下步骤：
在步骤S101中，制备单壁碳纳米管与聚合物材料的混合溶液，要求聚合物材料对激光波长的折射率小于石英玻璃对激光波长的折射率，例如可选用聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA)。该步骤具体可以包括以下步骤：将单壁碳纳米管粉体分散于二氯代苯溶液；将分散后的二氯代苯溶液与符合上述要求的聚合物材料的溶液混合。
为了实现单壁碳纳米管粉体在溶液中的均匀扩散，防止单壁碳纳米管粉体的团簇，本发明在将分散后的二氯代苯溶液与聚甲基丙烯酸甲酯溶液混合的步骤之前还可以包括以下步骤：对单壁碳纳米管粉体施加超声波。
在步骤S102中，利用毛细作用或真空吸附作用或加压等方式，将混合后的溶液注入光子晶体光纤的包层空气孔。
在步骤S103中，通过光纤熔接机将光子晶体光纤与一单模光纤连接并封装。
本发明在步骤S102之后，还可以包括以下步骤：将包层空气孔注入有所述混合溶液的光子晶体光纤在真空炉中进行干燥，以蒸发掉其中的二氯代苯和聚合物材料，从而减小单模光纤的传输损耗和连接损耗。
上述基于单壁碳纳米管的被动锁模器件可应用于光纤激光器，图2示出了本发明第一实施例提供的光纤激光器的结构，其中的光子晶体光纤是纤芯没有掺铒离子的无源光纤。
该光纤激光器包括：输出具有第一波长值的泵浦光的泵浦源11；将泵浦源11输出的泵浦光转换成超短脉冲激光的谐振腔12；以及将谐振腔12转换得到的超短脉冲激光输出的输出端14。为了避免反射光对谐振腔的影响，本发明中，该光纤激光器还可以包括：置于谐振腔12与输出端14之间的第二光隔离单元13。其中的泵浦源11优选为半导体激光二极管。
谐振腔12为单向环形谐振腔，包括：作为增益物质的掺铒离子的单模光纤122，用于将泵浦源11输出的具有第一波长值的泵浦光转换成具有第二波长值的激光；光纤偏振控制单元123，用于调整谐振腔12中激光的偏振态；第一光隔离单元124，用于保证谐振腔12中激光传输的单向性；第一基于单壁碳纳米管的被动锁模器件125，用于对其输入的激光进行被动锁模，以得到超短脉冲激光，其结构如上所述，且其中的光子晶体光纤是纤芯没有掺铒离子的无源光纤；光纤耦合单元126，用于将第一基于单壁碳纳米管的被动锁模器件125锁模得到的一部分超短脉冲激光输出给第二光隔离单元13或输出端14；置于第一基于单壁碳纳米管的被动锁模器件125锁模得到的另一部分超短脉冲激光传输光路上的单模光纤127；以及光纤波分复用单元121，用于将泵浦源11输出的具有第一波长值的泵浦光与经单模光纤127的另一部分超短脉冲激光耦合入谐振腔12。其中，光纤波分复用单元121、掺铒离子的单模光纤122、光纤偏振控制单元123、第一光隔离单元124、第一基于单壁碳纳米管的被动锁模器件125、光纤耦合单元126、单模光纤127沿谐振腔12中激光传输的方向顺次排列。
图3示出了本发明第二实施例提供的光纤激光器的结构。与本发明第一实施例不同，本发明第二实施例提供的光纤激光器的谐振腔12的构成不同，具体地，本发明第二实施例中，谐振腔12不包括第一基于单壁碳纳米管的被动锁模器件125、掺铒离子的单模光纤122，而包括置于光纤波分复用单元121和光纤偏振控制单元123之间的第二基于单壁碳纳米管的被动锁模器件128，与第一基于单壁碳纳米管的被动锁模器件125不同，第二基于单壁碳纳米管的被动锁模器件128中的光子晶体光纤是纤芯掺有铒离子的有源光纤，此时，第二基于单壁碳纳米管的被动锁模器件128对输入的激光进行被动锁模的同时，还作为增益物质，用于将所述泵浦源输出的具有所述第一波长值的泵浦光转换成具有第二波长值的激光。其余各部分的组成、功能及排列关系如上所述，在此不再赘述。
优选地，本发明第一实施例和本发明第二实施例提供的光纤激光器中，第一波长值为980nm，第二波长值为1550nm；第一基于单壁碳纳米管的被动锁模器件125或第二基于单壁碳纳米管的被动锁模器件128锁模得到的一部分超短脉冲激光为10％的超短脉冲激光，作为输出光通过第二光隔离单元13输出；第一基于单壁碳纳米管的被动锁模器件125或第二基于单壁碳纳米管的被动锁模器件128锁模得到的另一部分超短脉冲激光为90％的超短脉冲激光，输入至单模光纤127以与泵浦源11输出的具有第一波长值的泵浦光耦合。
由于本发明提供的基于单壁碳纳米管的被动锁模器件将单壁碳纳米管应用于光子晶体光纤中，而光子晶体光纤的包层是由一系列空气孔组成，对温度不敏感，具有良好的温度稳定性，可以增加单壁碳纳米管和光纤纤芯传导模的倏逝场在激光器谐振腔中的相互作用长度，而且避免了对单壁碳纳米管产生热损伤。同时由于光子晶体光纤的色散设计具有较大的灵活性，可以补偿激光器谐振腔中其它元件引入的色散，实现灵活的谐振腔色散管理和优良的锁模效果，从而保证了激光器的稳定性和输出的超短脉冲的质量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于单壁碳纳米管的被动锁模器件，其特征在于，所述被动锁模器件包括光子晶体光纤；所述光子晶体光纤的包层空气孔中填充有单壁碳纳米管。
2.一种如权利要求1所述的基于单壁碳纳米管的被动锁模器件的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
制备单壁碳纳米管与聚合物材料的混合溶液，所述聚合物材料对激光波长的折射率小于石英玻璃对激光波长的折射率；
将所述混合溶液注入光子晶体光纤的包层空气孔；
通过光纤熔接机将所述光子晶体光纤与一单模光纤连接并封装。
3.如权利要求2所述的被动锁模器件的制备方法，其特征在于，所述制备单壁碳纳米管与聚合物材料的混合溶液的步骤具体包括以下步骤：
将单壁碳纳米管粉体分散于二氯代苯溶液；
将分散后的所述二氯代苯溶液与所述聚合物材料的溶液混合。
4.如权利要求3所述的被动锁模器件的制备方法，其特征在于，所述方法在所述将分散后的所述二氯代苯溶液与所述聚合物溶液混合的步骤之前，还包括以下步骤：对所述单壁碳纳米管粉体施加超声波。
5.如权利要求2至4任一项所述的基于单壁碳纳米管的被动锁模器件的制备方法，其特征在于，所述方法在所述将所述混合溶液注入光子晶体光纤的包层空气孔的步骤之后，还包括以下步骤：将包层空气孔注入有所述混合溶液的光子晶体光纤在真空炉中进行干燥。
6.一种光纤激光器，包括输出具有第一波长值的泵浦光的泵浦源、谐振腔、第二光隔离单元和输出端，所述谐振腔为单向环形谐振腔，其特征在于，所述谐振腔包括：作为增益物质的掺铒离子的单模光纤，用于将所述泵浦源输出的具有所述第一波长值的泵浦光转换成具有第二波长值的激光；光纤偏振控制单元；第一光隔离单元；对输入的激光进行被动锁模，以得到超短脉冲激光的第一基于单壁碳纳米管的被动锁模器件；将所述第一基于单壁碳纳米管的被动锁模器件锁模得到的一部分所述超短脉冲激光输出给所述第二光隔离单元的光纤耦合单元；置于所述第一基于单壁碳纳米管的被动锁模器件锁模得到的另一部分所述超短脉冲激光传输光路上的单模光纤；光纤波分复用单元；所述光纤波分复用单元、掺铒离子的单模光纤、光纤偏振控制单元、第一光隔离单元、第一基于单壁碳纳米管的被动锁模器件、光纤耦合单元和单模光纤沿所述谐振腔中激光传输的方向顺次排列；
所述第一基于单壁碳纳米管的被动锁模器件为如权利要求1所述的基于单壁碳纳米管的被动锁模器件，且所述光子晶体光纤是纤芯没有掺铒离子的无源光纤。
7.一种光纤激光器，包括输出具有第一波长值的泵浦光的泵浦源、谐振腔、第二光隔离单元和输出端，所述谐振腔为单向环形谐振腔，其特征在于，所述谐振腔包括：对输入的激光进行被动锁模，以得到超短脉冲激光，同时将所述泵浦源输出的具有所述第一波长值的泵浦光转换成具有第二波长值的激光的第二基于单壁碳纳米管的被动锁模器件；光纤偏振控制单元；第一光隔离单元；将所述第一光隔离单元得到的一部分所述超短脉冲激光输出给所述第二光隔离单元的光纤耦合单元；置于所述第一光隔离单元得到的另一部分所述超短脉冲激光传输光路上的单模光纤；光纤波分复用单元；所述光纤波分复用单元、第二基于单壁碳纳米管的被动锁模器件、光纤偏振控制单元、第一光隔离单元、光纤耦合单元和单模光纤沿所述谐振腔中激光传输的方向顺次排列；
所述第二基于单壁碳纳米管的被动锁模器件为如权利要求1所述的基于单壁碳纳米管的被动锁模器件，且所述光子晶体光纤是纤芯掺有铒离子的有源光纤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130327 Termination date: 20140527 |