CN103730823A

CN103730823A - 光纤反射式石墨烯被动调q锁模激光器

Info

Publication number: CN103730823A
Application number: CN201410008753.7A
Authority: CN
Inventors: 李平雪; 赵自强; 张光举; 杨春; 池俊杰; 姚毅飞; 胡浩伟
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2014-01-08
Filing date: 2014-01-08
Publication date: 2014-04-16

Abstract

本发明提供一种光纤反射式石墨烯被动调Q锁模激光器，涉及激光技术领域，以解决现有装置具有的高非线性以及锁模的质量和稳定性差的问题。该发明包括泵浦光源、光学玻璃镜、增益光纤与饱和吸收镜，光学玻璃镜由第一平凸透镜、第二平凸透镜、第三平凸透镜、第四平凸透镜组成，其中，还包括第一二向色镜、分束器与偏振控制元件组，泵浦光源、第一平凸透镜、第一二向色镜、第二平凸透镜、增益光纤、第三平凸透镜、分束器、偏振控制元件组、第四平凸透镜与饱和吸收镜按光纤顺序依次连接。本发明不仅克服了高非线性，并且结构简单、空间小巧、稳定性更好。

Description

光纤反射式石墨烯被动调Q锁模激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种光纤反射式石墨烯被动调Q锁模激光器。

背景技术

光纤锁模激光器与普通固体锁模激光器相比具有结构紧凑、脉冲稳定性好、阈值低等优点。近年来，随着光纤拉制技术及光纤器件制作工艺的发展，光纤锁模激光器获得了快速发展。目前，在光纤锁模激光器中被广泛用作可饱和吸收体的是SESAM，即半导体可饱和吸收镜。SESAM用作可饱和吸收体具有可靠性好、稳定性高、容易实现激光器锁模自启动等优点。但SESAM存在工艺复杂、造价高、易损伤等问题。

石墨烯自2004年被首次制备出来后，经研究发现，其作为可饱和吸收体有着非常独特的电学性质和非线性光学饱和吸收特性。而且，石墨烯饱和吸收体与SESAM相比具有生长方式简单，制作成本低的优点。目前，国内外课题组对以石墨烯作为可饱和吸收体的光纤锁模激光器开展了一系列研究工作。2010年，Z.Sun等人以掺铒光纤为增益介质，石墨烯为饱和吸收体，利用环形腔结构获得了中心波长为1560nm，谱宽为5.2nm，脉宽为500fs的连续锁模激光输出。同年，L.M.Zhao等人以掺镱光纤为增益介质，多层石墨烯为饱和吸收体，利用环形腔结构实现了连续锁模激光输出，其中心波长为1069.8nm，脉宽为580ps，平均输出功率为0.37mW，重频为0.9MHz。2011年，J.Liu等人以双包层掺镱光纤作增益介质，石墨烯为可饱和吸收体，利用环形腔结构获得了脉冲宽度为680ps，重频为1.04MHz，单脉冲能量为163nJ的调Q锁模激光输出。2012年，X.He等人利用掺铒光纤、石墨烯以及光纤布拉格光栅搭建环形腔，实现了波长范围在1539.4-1546nm的可调谐连续锁模激光输出。同年，汪光辉等人采用环形腔结构，利用石墨烯作为可饱和吸收体，实现了平均输出功率1.07mW，重复率3.16MHz，脉宽约为1.32ps的锁模脉冲，激光中心波长在1556.72～1558.76nm之间可调。

以上研究工作中所采用的增益光纤均是普通单模掺杂光纤。由于普通单模光纤小的纤芯面积在高的峰值功率下会产生强的非线性效应（如SPM等），带来较大的非线性相移导致脉冲分裂，从而影响输出的单脉冲能量、峰值功率的进一步提高，甚至输出的稳定性。而光子晶体光纤由于其独特的导光机理、灵活多变的结构和丰富独特的优越性能，为各种光纤器件及技术的发展开辟了新的思路，可以解决在普通光纤激光器中无法解决的难题。采用大模场面积光子晶体光纤克服了传统单模光纤由于小纤芯结构导致的高非线性，进而限制脉冲能量进一步提高的问题（如过多的非线性会产生脉冲分裂）；而与普通的大模场双包层光纤相比，光子晶体光纤在纤芯直径增加的同时还会保持单模输出，在降低非线性效应的同时，还避免了锁模时出现高阶模以及模式之间的耦合影响锁模质量和稳定性的问题。所以，光子晶体光纤具有的大模场面积单模特性，使激光器可以实现高功率情况下的单模运转，这是光纤锁模激光器能够实现高能量输出的关键。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种光纤反射式石墨烯被动调Q锁模激光器，使其克服了高非线性，并且结构简单、空间小巧、稳定性更好。

为了解决上述问题，本发明提供一种光纤反射式石墨烯被动调Q锁模激光器，包括泵浦光源、光学玻璃镜、增益光纤与饱和吸收镜，所述光学玻璃镜由第一平凸透镜、第二平凸透镜、第三平凸透镜、第四平凸透镜组成，其中，还包括第一二向色镜、分束器与偏振控制元件组，所述泵浦光源、所述第一平凸透镜、所述第一二向色镜、所述第二平凸透镜、所述增益光纤、所述第三平凸透镜、所述分束器、所述偏振控制元件组、所述第四平凸透镜与所述饱和吸收镜按光纤顺序依次连接。

优选的，所述分束器包括平行放置的第二二向色镜和第三二向色镜，所述分束器采用折叠式线性结构设计有效地将循环震荡的激光和泵浦光分开，减少杂散光的干扰。

优选的，所述偏振控制元件组包括第一偏振分束器、半波片、第二偏振分束器，所述第一偏振分束器、所述半波片与所述第二偏振分束器按照光纤顺序依次连接，所述第一偏振分束器控制腔内激光的偏振态，所述半波片和所述第二偏振分束器控制激光输出的大小。

优选的，所述泵浦光源的输出端与所述第一平凸透镜的输入端相连接，泵浦光经过准直-聚焦耦合作用后进入所述增益光纤中，使所述增益光纤对所述泵浦光有充分的吸收，所述泵浦光源为976nm光纤激光器。

优选的，所述增益光纤为具有六角形周期性排布的空气孔阵列的光子晶体光纤，其采用熔接方式与所述第二平凸透镜、所述第三平凸透镜相连接；所述增益光纤采用热塌陷方法使距离所述增益光纤两端面0.5mm处的空气区塌陷，并对所述两端面均以8°斜角抛光，避免了所述两端面反馈形成的自激振荡。

优选的，所述饱和吸收镜采用具有可饱和吸收特性的石墨烯制备，厚度为6-8层。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明将区别于传统光纤的光子晶体光纤和新型锁模材料石墨烯可饱和吸收体相结合，设计折叠式线形驻波腔，搭建整个光路为自由空间的光学实验装置，不仅克服了装置结构导致的高非线性，并且获得了结构简单、空间小巧、稳定性好的光纤反射式石墨烯被动调Q锁模激光器。

附图说明

图1是本发明的实施例结构示意框图；

图2是本发明的实施例的拉曼光谱示意图。

主要元件符号说明：

1-泵浦光源 2-第一平凸透镜 3-第一二向色镜

4-第二平凸透镜 5-光子晶体光纤 6-第三平凸透镜

7-第二二向色镜 8-第三二向色镜 9-第一偏振分束器

10-半波片 11-第二偏振分束器 12-第四平凸透镜

13-饱和吸收镜

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，下面结合附图与实例对本发明作进一步详细说明，但所举实例不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明的实施例包括泵浦光源1、光学玻璃镜、增益光纤与饱和吸收镜13，光学玻璃镜由第一平凸透镜2、第二平凸透镜4、第三平凸透镜6、第四平凸透镜12组成，其中，还包括第一二向色镜3、分束器与偏振控制元件组，泵浦光源1、第一平凸透镜2、第一二向色镜3、第二平凸透镜4、增益光纤、第三平凸透镜6、分束器、偏振控制元件组、第四平凸透镜12与饱和吸收镜13按光纤顺序依次连接。

分束器包括平行放置的第二二向色镜7和第三二向色镜8，分束器采用折叠式线性结构设计有效地将循环震荡的激光和泵浦光分开，保证只有激光振荡，而无泵浦光的干扰。

偏振控制元件组包括第一偏振分束器9、半波片10、第二偏振分束器11，第一偏振分束器9、半波片10与第二偏振分束器11按照光纤顺序依次连接，第一偏振分束器9控制腔内激光的偏振态，半波片10和第二偏振分束器11控制激光输出的大小。

泵浦光源1的输出端与第一平凸透镜2的输入端相连接，泵浦光经过准直-聚焦耦合作用后进入光子晶体光纤5内包层，耦合效率大于80%，使光子晶体光纤5对泵浦光有充分的吸收，泵浦光源1为976nm光纤激光器，976nm光纤激光器的最大输出为29.5W（I=44A）。

增益光纤采用内包层170μm、数值孔径0.62，纤芯直径为40μm、数值孔径0.03的光子晶体光纤5，模场面积约为660μm²，光纤长度2m，具有六角型周期性排布的空气孔阵列。这种光子晶体光纤5对976nm泵浦光的吸收系数为13dB/m。为了提高泵浦光和信号光的耦合效率、避免光纤端面损伤、污染,光子晶体光纤5采用热塌陷方法使距离增益光纤两端面0.5mm处的空气区塌陷，并对两端面均以8°斜角抛光，避免了两端面反馈形成的自激振荡影响可调谐激光器的性能。光纤端面磨削、抛光处理工作由自行研制的一套行之有效的方案完成，最大限度地降低了腔内损耗。

整个激光振荡系统为上所述光纤反射式石墨烯被动调Q锁模激光器。在振荡级中，泵浦光经1:1的第一平凸透镜2和第二平凸透镜4组成的准直-聚焦耦合系统耦合进光子晶体光纤5的内包层，光子晶体光纤5对泵浦光有充分的吸收后，输出光经第三平凸透镜6准直，经由第二二向色镜7和第三二向色镜8转折后依次通过第一偏振分束器9、半波片10、第二偏振分束器11，经第四平凸透镜12聚焦到作为后腔镜的多层石墨烯可饱和吸收镜13上，从而完成一次激光振荡。这里的第一偏振分束器9起到控制腔内激光偏振态的作用，半波片10和第二偏振分束器11用来控制激光输出的大小，因为在旋转半波片的同时即改变了从第一偏振分束器9输出光的偏振方向，这样第一偏振分束器9与第二偏振分束器11各自偏振方向之间的夹角会发生改变，从而控制输出光的大小，并且有效利用第二偏振分束器11的分光特性，使之既能满足腔内激光的循环振荡，又能通过其侧面的逃逸窗将激光导出，结构上更加灵活。最终将形成的调Q锁模激光从第二偏振分束器11的侧向逃逸窗口输出。利用焦距8mm的第四平凸透镜12聚焦，通过改变会聚光斑的尺寸大小获得启动锁模所需的功率密度。在泵浦功率10W时，实现24mW连续光输出。泵浦功率10.8W时，实现调Q锁模，输出功率45mW。在泵浦功率12W时，最高输出功率115mW。当激光器出现调Q锁模状态后，随着泵浦功率的增加，输出功率几乎呈线性增长，斜效率45.6%。

如图2所示，饱和吸收镜13采用具有可饱和吸收特性的石墨烯制备，厚度为6-8层。其拉曼光谱如图所示：在1332(D峰)和1580(G峰)cm^-1出现两个峰，D峰强度几乎可以忽略，表明石墨烯拥有很高的质量。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种光纤反射式石墨烯被动调Q锁模激光器，包括泵浦光源、光学玻璃镜、增益光纤与饱和吸收镜，所述光学玻璃镜由第一平凸透镜、第二平凸透镜、第三平凸透镜、第四平凸透镜组成，其特征在于，还包括第一二向色镜、分束器与偏振控制元件组，所述泵浦光源、所述第一平凸透镜、所述第一二向色镜、所述第二平凸透镜、所述增益光纤、所述第三平凸透镜、所述分束器、所述偏振控制元件组、所述第四平凸透镜与所述饱和吸收镜按光纤顺序依次连接。

2.如权利要求1所述的光纤反射式石墨烯被动调Q锁模激光器，其特征在于，所述分束器包括平行放置的第二二向色镜和第三二向色镜，所述分束器采用折叠式线性结构设计有效地将循环震荡的激光和泵浦光分开，减少杂散光的干扰。

3.如权利要求2所述的光纤反射式石墨烯被动调Q锁模激光器，其特征在于，所述偏振控制元件组包括第一偏振分束器、半波片、第二偏振分束器，所述第一偏振分束器、所述半波片与所述第二偏振分束器按照光纤顺序依次连接，所述第一偏振分束器控制腔内激光的偏振态，所述半波片和所述第二偏振分束器控制激光输出的大小。

4.如权利要求3所述的光纤反射式石墨烯被动调Q锁模激光器，其特征在于，所述泵浦光源的输出端与所述第一平凸透镜的输入端相连接，泵浦光经过准直-聚焦耦合作用后进入所述增益光纤中，使所述增益光纤对所述泵浦光有充分的吸收，所述泵浦光源为976nm光纤激光器。

5.如权利要求4所述的光纤反射式石墨烯被动调Q锁模激光器，其特征在于，所述增益光纤为具有六角形周期性排布的空气孔阵列的光子晶体光纤，其采用熔接方式与所述第二平凸透镜、所述第三平凸透镜相连接；所述增益光纤采用热塌陷方法使距离所述增益光纤两端面0.5mm处的空气区塌陷，并对所述两端面均以8°斜角抛光，避免了所述两端面反馈形成的自激振荡。

6.如权利要求1-5任一所述的光纤反射式石墨烯被动调Q锁模激光器，其特征在于，所述饱和吸收镜采用具有可饱和吸收特性的石墨烯制备，厚度为6-8层。