CN103151686B - 基于氧化石墨烯被动锁模的拉曼光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
一种基于氧化石墨烯被动锁模的拉曼光纤激光器，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）、合束器（2）、稀土掺杂光纤（3）、波分复用光纤耦合器（4）、拉曼光纤（5）、环形器（6）、氧化石墨烯可饱和吸收体（7）、输出耦合器（8）和偏振控制器（9）等，采用双环形腔结构、单环形腔结构或线形腔结构。本发明采用氧化石墨烯可饱和吸收体作为被动锁模器件，结合光纤的拉曼效应，实现了波长灵活的、高稳定性、高能量的超短脉冲激光输出。本发明可应用于通信传感、生物医疗和材料加工等多个领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于氧化石墨烯被动锁模的拉曼光纤激光器,属于激光技术以及非线性光学领域。
背景技术
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。光纤激光器按其工作介质一般可以分为两类：第一类是将稀土掺杂光纤作为增益介质产生激光振荡。这类光纤激光器受掺杂元素的限制只能产生固定波段的激光输出，波长覆盖范围很小（如掺镱光纤激光器的输出范围为1010-1090nm，掺铒光纤激光器的输出范围为1530-1600nm，掺铥光纤激光器的输出范围为1800-2100nm）。第二类是利用光纤中的非线性效应（如受激拉曼散射、受激布里渊散射）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。
被动锁模的拉曼光纤激光器，不仅具有工作波长的灵活性，同时可以输出高光束质量、高峰值功率的超短脉冲，具有广泛的应用潜力。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。目前所报道的被动锁模技术主要有非线性偏振旋转（NPR）锁模、半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模以及单壁碳纳米管(SWNT)锁模。NPR锁模是通过调节偏振控制器来实现的，因而环境稳定性较差；SESAM制作工艺复杂，价格昂贵，且可饱和吸收光谱范围较窄；SWNT虽然成本低廉，但由于其作用波长与SWCNT的直径相关以及制备过程中直径的不可控性，导致插入损耗大。
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(Andre Geim)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。但采用这种方法制备石墨烯效率很低且剥离的石墨烯薄片面积很小，不能满足工业的需要，因此目前主要采用化学气相沉积法和化学还原法。
采用化学还原法制备石墨烯的第一步是合成氧化石墨烯，氧化石墨烯作为石墨烯的“前身”，其应用前景也受到广泛的关注。最新研究表明氧化石墨烯不仅具有可与石墨烯相媲美的可饱和吸收特性以及极快的恢复时间，由于含氧官能团的存在，氧化石墨烯还具有很强的亲水性，可以直接制备其水溶液；而石墨烯由于不亲水，需要添加聚乙烯醇(PVA)或其他材料制成混合溶液。氧化石墨烯良好的亲水性使其在制备锁模器件时更具灵活性。因此，氧化石墨烯不仅价格低廉，而且制备工艺比石墨烯更为简单，更有益于实现锁模激光器的产业化。
发明内容
氧化石墨烯具有极强亲水性和可饱和吸收性，同时又兼具价格低廉，制备简单的优势。因此，本发明采用氧化石墨烯可饱和吸收体作为被动锁模器件，结合光纤的拉曼效应，实现了波长灵活的、高稳定性、高能量的超短脉冲激光输出。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：
基于氧化石墨烯被动锁模的拉曼光纤激光器，其特征在于：主要包括泵浦源（1）、波分复用光纤耦合器（4）、拉曼光纤（5）和氧化石墨烯可饱和吸收体（7），同时还包括合束器（2）、稀土掺杂光纤（3）、环形器（6）、输出耦合器（8）、偏振控制器（9）、隔离器（10）、啁啾光纤光栅（11）、光纤布拉格光栅（12）中的一项或几项；所述的基于氧化石墨烯被动锁模的拉曼光纤激光器采用双环形腔结构、单环形腔结构或线形腔结构。
采用双环形腔结构时优选为：泵浦源（1）通过合束器（2）将波长为λ0的泵浦光注入稀土掺杂光纤（3）；稀土掺杂光纤（3）依次连接第一波分复用光纤耦合器（4）、拉曼光纤（5）和第二波分复用光纤耦合器（4），最后再连接到合束器（2）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（5）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）；拉曼信号光依次通过第二波分复用光纤耦合器（4）、环形器（6）、输出耦合器（8）、偏振控制器（9），最后连接第一波分复用耦合器（4），形成环形的拉曼激光谐振腔；氧化石墨烯可饱和吸收体（7）位于环形器（6）第二端口。（如图1所示）
采用双环形腔结构时优选为：泵浦源（1）通过合束器（2）将波长为λ0的泵浦光注入稀土掺杂光纤（3）；稀土掺杂光纤（3）依次连接第一波分复用光纤耦合器（4）、拉曼光纤（5）和第二波分复用光纤耦合器（4），最后再连接合束器（2）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（5）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）；拉曼信号光依次通过第二波分复用光纤耦合器（4）、隔离器（10）、氧化石墨烯可饱和吸收体（7）、输出耦合器（8）、偏振控制器（9），最后连接第一波分复用耦合器（4），形成环形的拉曼激光谐振腔。（如图2所示）。
采用单环形腔结构时优选为：泵浦源（1）通过第一波分复用光纤耦合器（4）将泵浦光注入拉曼光纤（5）；拉曼光纤（5）依次连接环形器（6）和第二波分复用光纤耦合器（4），最后连接第一波分复用光纤耦合器（4）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（7）位于环形器（6）第二端口。（如图3所示）。
采用单环形腔结构时优选为：泵浦源（1）通过第一波分复用光纤耦合器（4）将泵浦光注入拉曼光纤（5）；拉曼光纤（5）依次连接氧化石墨烯可饱和吸收体（7）、环形器（6）和第二波分复用光纤耦合器（4），最后连接第一波分复用光纤耦合器（4）的信号端，形成环形的激光谐振腔；环形器（6）的第二端口连接啁啾光纤光栅（12）。（如图4所示）。
所述的线形腔结构时优选为：泵浦源（1）连接波分复用光纤耦合器（4）的泵浦输入端；波分复用光纤耦合器（4）公共端依次连接光纤布拉格光栅（12）、拉曼光纤（5）和氧化石墨烯可饱和吸收体（7）；光纤布拉格光栅（12）和氧化石墨烯可饱和吸收体（7）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（4）的信号端输出。（如图5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（4）的泵浦输入端；波分复用光纤耦合器（4）公共端依次连接拉曼光纤（5）和光纤布拉格光栅（12）；氧化石墨烯可饱和吸收体（7）位于波分复用光纤耦合器（4）的信号端，与光纤布拉格光栅（12）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（12）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。
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含有氧化石墨烯的物质，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常规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：将氧化石墨烯物质沉积在镀金反射镜、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。
本发明基于氧化石墨烯被动锁模的拉曼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，大大降低了锁模器件的制备难度，增强了使用的灵活性。
3、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、高能量的超短脉冲激光，可以满足实际应用需求。
4、本发明中采用稀土掺杂光纤和拉曼光纤共同构成的“双环形腔”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。并且，此种拉曼光纤激光器所用的泵浦源为半导体激光器，简化了现有技术中泵浦源的结构。
附图说明
图1是实施例1氧化石墨烯被动锁模的拉曼光纤激光器的结构示意图；
图2是实施例2氧化石墨烯被动锁模的拉曼光纤激光器的结构示意图；
图3是实施例3氧化石墨烯被动锁模的拉曼光纤激光器的结构示意图；
图4是实施例4氧化石墨烯被动锁模的拉曼光纤激光器的结构示意图；
图5是实施例5氧化石墨烯被动锁模的拉曼光纤激光器的结构示意图；
图6是实施例6氧化石墨烯被动锁模的拉曼光纤激光器的结构示意图；
图中：1、泵浦源，2、合束器，3、稀土掺杂光纤，4、波分复用光纤耦合器，5、拉曼光纤，6、环形器，7、氧化石墨烯可饱和吸收体，8、输出耦合器，9、偏振控制器，10、隔离器，11、啁啾光纤光栅，12、光纤布拉格光栅。
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是本发明基于氧化石墨烯被动锁模的拉曼光纤激光器实施例1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（2）用于将泵浦光耦合到稀土掺杂光纤（3）中；稀土掺杂光纤（3）为双包层掺铒光纤；波分复用光纤耦合器（4）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（5）为长飞公司生产的高非线性光纤，拉曼频移为13.2THz；环形器（6）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（7）为沉积在镀金全反镜上的氧化石墨烯薄膜，是被动锁模器件；输出耦合器（8）的分束比为50:50；偏振控制器（9）为三环型机械式光纤偏振控制器，用于调整腔内光的偏振态，优化锁模稳定性。
实施例2
图2是本发明基于氧化石墨烯被动锁模的拉曼光纤激光器实施例2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（2）用于将泵浦光耦合到稀土掺杂光纤（3）中；稀土掺杂光纤（3）为双包层掺镱光纤；波分复用光纤耦合器（4）的工作波长为1060/1120nm，用于分离激光腔内掺镱光纤产生的1060nm激光和拉曼光纤产生的1120nm的拉曼信号光；拉曼光纤（5）为长飞公司生产的光子晶体光纤，拉曼频移为13.2THz；隔离器（10）用于保证拉曼信号光在腔内单向传输；氧化石墨烯可饱和吸收体（7）为沉积在光纤端面上的氧化石墨烯，是被动锁模器件；输出耦合器（8）的分束比为50:50；偏振控制器（9）为三环型机械式光纤偏振控制器，用于调整腔内光的偏振态，优化锁模稳定性。
实施例3
图3是本发明基于氧化石墨烯被动锁模的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1540nm的光纤激光器；波分复用光纤耦合器（4）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（5）为长飞公司生产的高非线性光纤，拉曼频移为13.2THz；环形器（6）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（7）为沉积在镀金全反镜上的氧化石墨烯薄膜，是被动锁模器件；拉曼信号光通过第二波分复用光纤耦合器（4）输出。
实施例4
图4是本发明基于氧化石墨烯被动锁模的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（4）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（5）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（7）为沉积在光纤拉锥区上的氧化石墨烯，是被动锁模器件；环形器（6）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）；啁啾光纤光栅（11）的反射率为90%，中心波长为1120nm，反射带宽为5nm，益于实现光谱较宽的超短脉冲输出；拉曼信号光通过第二波分复用光纤耦合器（4）输出。
实施例5
图5是本发明基于氧化石墨烯被动锁模的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1550nm的光纤激光器；波分复用光纤耦合器（4）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（12）的反射率为90%，中心波长为1660nm，反射带宽为1nm；拉曼光纤（5）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（7）为沉积在宽带全反镜上的氧化石墨烯，是被动锁模器件；在光纤布拉格光栅（12）和氧化石墨烯可饱和吸收体（7）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（4）的信号端输出。
实施例6
图6是本发明基于氧化石墨烯被动锁模的拉曼光纤激光器实施例6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（4）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（5）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（12）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（7）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（4）的信号端；在氧化石墨烯可饱和吸收体（7）和光纤布拉格光栅（12）之间形成线形谐振腔；拉曼信号光通过光纤布拉格光栅（12）的另一端输出。
Claims (4)
1.基于氧化石墨烯被动锁模的拉曼光纤激光器，其特征在于：主要包括泵浦源(1)、波分复用光纤耦合器(4)、拉曼光纤(5)和氧化石墨烯可饱和吸收体(7)，同时还包括合束器(2)、稀土掺杂光纤(3)、环形器(6)、输出耦合器(8)、偏振控制器(9)、隔离器(10)、啁啾光纤光栅(11)、光纤布拉格光栅(12)中的一项或几项；所述的基于氧化石墨烯被动锁模的拉曼光纤激光器采用双环形腔结构；
采用双环形腔结构时为：泵浦源(1)通过合束器(2)将波长为λ0的泵浦光注入稀土掺杂光纤(3)；稀土掺杂光纤(3)依次连接第一波分复用光纤耦合器(4)、拉曼光纤(5)和第二波分复用光纤耦合器(4)，最后再连接到合束器(2)的信号端，形成环形的激光谐振腔，产生波长为λ1的激光；拉曼光纤(5)在波长为λ1的激光泵浦下，产生波长为λ2的拉曼信号光；拉曼信号光依次通过第二波分复用光纤耦合器(4)、环形器(6)、输出耦合器(8)、偏振控制器(9)，最后连接第一波分复用耦合器(4)，形成环形的拉曼激光谐振腔；氧化石墨烯可饱和吸收体(7)位于环形器(6)第二端口；
或采用双环形腔结构时为：泵浦源(1)通过合束器(2)将波长为λ0的泵浦光注入稀土掺杂光纤(3)；稀土掺杂光纤(3)依次连接第一波分复用光纤耦合器(4)、拉曼光纤(5)和第二波分复用光纤耦合器(4)，最后再连接合束器(2)的信号端，形成环形的激光谐振腔，产生波长为λ1的激光；拉曼光纤(5)在波长为λ1的激光泵浦下，产生波长为λ2的拉曼信号光；拉曼信号光依次通过第二波分复用光纤耦合器(4)、隔离器(10)、氧化石墨烯可饱和吸收体(7)、输出耦合器(8)、偏振控制器(9)，最后连接第一波分复用耦合器(4)，形成环形的拉曼激光谐振腔；
所述的泵浦源(1)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；
所述的氧化石墨烯可饱和吸收体(7)为固态、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。
2.权利要求1所述的基于氧化石墨烯被动锁模的拉曼光纤激光器，其特征在于：所述的稀土掺杂光纤(3)为掺有一种或多种稀土元素的光纤。
3.权利要求1所述的基于氧化石墨烯被动锁模的拉曼光纤激光器，其特征在于：所述的拉曼光纤(5)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。
4.权利要求1所述的基于氧化石墨烯被动锁模的拉曼光纤激光器，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：将氧化石墨烯物质沉积在镀金反射镜、镀银反射镜上，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。
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| CN103151685A (zh) * | 2013-02-22 | 2013-06-12 | 北京工业大学 | 氧化石墨烯调q拉曼光纤激光器 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
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