CN105703209A - 用石墨烯饱和吸收体锁模的超短脉冲光纤激光器系统 - Google Patents

用石墨烯饱和吸收体锁模的超短脉冲光纤激光器系统 Download PDF

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黄伟
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Abstract

本发明公开了一种用石墨烯饱和吸收体锁模的超短脉冲光纤激光器系统，包括环形光纤激光器种子源和啁啾放大器，所述环形光纤激光器种子源包括石墨烯饱和吸收体、波分复用器、掺Yb有源光纤、第一无源光纤、输出耦合器、带通滤波器、光隔离器以及第二无源光纤，所述啁啾放大器包括依次连接的一级展宽器、一级放大器以及负色散元件，一级放大器由有源光纤、合束器以及泵浦源组成。本发明的环形光纤激光器种子源可以输出线性啁啾脉冲，这些线性啁啾脉冲在啁啾放大器的放大以及负色散元件补偿作用下，可以得到放大及去啁啾从而获得飞秒脉冲，掺Yb飞秒光纤激光器得以实现。本发明填补了掺Yb飞秒光纤激光器的技术空白。

Description

用石墨烯饱和吸收体锁模的超短脉冲光纤激光器系统
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体为一种用石墨烯饱和吸收体锁模的超短脉冲光纤激光器系统。
背景技术
超短脉冲(脉宽小于10ps)加工是冷加工，消除了对加工区周围的热效应，提高了加工精度,而高功率有助提高加工速度。基于上述优点，超短脉冲加工逐渐在微机械加工领域得到应用。为了满足应用的需求，亟需开发一种大功率超短脉冲光纤激光器。
目前产生超短(飞秒)光纤激光器最好的方法是用无源的饱和吸收体加上增益光纤。以前多用半导体饱和吸收镜(SESAM)作为饱和吸收体，它的缺点是需要复杂的工艺，如MOCVD或分子束外延MBE，及高能重离子注入，在器件中引入缺陷以减少器件恢复时间。另外它的光损伤阈值较低，难于提高脉冲峰值功率。
近来发现两种新的可以代替SESAM的饱和吸收体。一种是单壁碳纳米管(SWCNT)，它在近红外区饱和恢复时间约1ps，适于皮秒或亚皮秒光纤激光器，并且已有不少的掺Er光纤激光器的样品出现。但是由于SWCNT的非均匀螺旋性，难于控制这种饱和吸收体的性质，由于它的共振波长与管径有关，所以会存在一些非共振的纳米管及其増加额外的插入损耗，而且成捆的纠缠的纳米管含有催化剂微粒及气泡还会引起高的非饱和损耗。
另一种是石墨烯薄膜，它的优点是吸收与波长无关饱和恢复时间极短、导热性好、吸收带宽、损耗低、成本低廉，因此适于制作可饱和吸收体应用于各种波长的超短脉冲光纤激光器；饱和强度比SWCNT及SESAM低，因此脉冲易于自起动；调制深度可以通过改变层数进行调节(从6.2％到66.5％)，因此易于控制脉冲成形；超快的饱和吸收恢复时间(快的0.07ps,慢的1.7ps)，因此更适于产生飞秒脉冲。目前已有用石墨烯薄膜的掺Er飞秒光纤激光器的样品，但是还没有用石墨烯薄膜的掺Yb飞秒光纤激光器的样品问世。这是因为在波长1μm，通常无源光纤及掺Yb光纤是正常色散的，只能达到几个皮秒的脉冲，本发明将提供一个解决方案。
发明内容
为此，本发明提供一种用石墨烯饱和吸收体锁模的超短脉冲光纤激光器系统，其填补了掺Yb飞秒光纤激光器领域的技术空白。
本发明所提供的用石墨烯饱和吸收体锁模的超短脉冲光纤激光器系统，包括环形光纤激光器种子源和啁啾放大器，所述环形光纤激光器种子源包括石墨烯饱和吸收体、连接有LD泵浦的波分复用器、掺Yb有源光纤、第一无源光纤、输出耦合器、带通滤波器、光隔离器以及第二无源光纤，石墨烯饱和吸收体、波分复用器、掺Yb有源光纤、第一无源光纤、输出耦合器、带通滤波器、光隔离器以及第二无源光纤依次连接成环形，所述石墨烯饱和吸收体为三层石墨烯膜，所述啁啾放大器包括依次连接的一级展宽器、一级放大器以及负色散元件，一级放大器由有源光纤、合束器以及泵浦源组成。
作为优选的实施方式，所述带通滤波器的中心波长为1030nm，滤波器谱宽为8nm，第一无源光纤的半径为3μm，长度为1.2m，第二无源光纤的半径为3μm，长度为3m，掺Yb有源光纤的半径为3μm，长度为0.8m，LD泵浦的功率为140mW。
作为优选的实施方式，一级展宽器为100m长的光纤，一级放大器的有源光纤的半径为20μm，长度为2m，泵浦源的中心波长为975nm，功率为1.2W。
作为优选的实施方式，所述负色散元件由啁啾反射光栅和回转器组成。
作为优选的实施方式，所述啁啾放大器还包括连接于一级展宽器前端的采摘器。
本发明的有益效果是：本发明的环形光纤激光器种子源利用掺Yb有源光纤和石墨烯饱和吸收体组成，其可以输出线性啁啾脉冲，这些线性啁啾脉冲在啁啾放大器的放大以及负色散元件补偿作用下，可以得到放大及去啁啾从而获得飞秒脉冲，掺Yb飞秒光纤激光器得以实现。本发明填补了掺Yb飞秒光纤激光器的技术空白。
附图说明
图1为本发明的环形光纤激光器种子源的结构示意图；
图2为本发明的啁啾放大器的结构示意图。
符号说明：1-石墨烯饱和吸收体，2-波分复用器，3-掺YB有源光纤，4-LD泵浦，5-第一无源光纤，6-输出耦合器，7-带通滤波器，8-光隔离器，9-第二无源光纤，10-采摘器，11-一级展宽器，12-有源光纤，13-合束器，14-泵浦源，15-啁啾反射光栅，16-回转器。
具体实施方式
下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步的描述。
参照图1和图2，本发明用石墨烯饱和吸收体锁模的超短脉冲光纤激光器系统主要由环形光纤激光器种子源和啁啾放大器组成，环形光纤激光器种子源产生线性啁啾脉冲，线性啁啾脉冲经啁啾放大器放大和去啁啾后得到所需的超短脉冲(飞秒脉冲)。
具体如图1所示，环形光纤激光器种子源包括石墨烯饱和吸收体1、连接有LD泵浦4的波分复用器2、掺Yb有源光纤3、第一无源光纤5、输出耦合器6、带通滤波器7、光隔离器8以及第二无源光纤9，石墨烯饱和吸收体1、波分复用器2、掺Yb有源光纤3、第一无源光纤5、输出耦合器6、带通滤波器7、光隔离器8以及第二无源光纤9依次连接成环形。石墨烯饱和吸收体1为三层石墨烯膜，易于起振，饱和深度高。上述结构都是通常的单模光纤和光纤元件(除了石墨烯饱和吸收体)组成，结构紧凑。
决定环形腔超快脉冲的特性(脉宽，谱分布，频率啁啾，呼吸比，脉冲能量等)的主要物理参数是：环路总的群速度色散GVD(由环路中光纤长度调节)，非线性相位变化总量ΦNL(由有源光纤非线性和光強决定，可通过改变泵浦功率来调节)，滤波器带宽BW。例如ΦNL増加(戓GVD减小，或BW减小)引起去啁啾脉冲宽度減小，呼吸比增大，频率啁啾減小，脉冲谱的形状从π形变成M形。本发明优选采用的是，带通滤波器7的中心波长为1030nm，滤波器谱宽为8nm，第一无源光纤5的半径为3μm，长度为1.2m，第二无源光纤9的半径为3μm，长度为3m，掺Yb有源光纤3的半径为3μm，长度为0.8m，LD泵浦4的功率为140mW。带通滤波器7所选用的波长为1030nm，掺Yb有源光纤3发射截面在此波长是局部最大，且谱宽最大。基于上述参数所产生的脉冲宽度窄为6.21ps，脉冲谱宽7.55nm(小于滤波器谱宽8nm)，脉冲频率40.8MHz，峰值功率89.4W，脉冲能量0.62nJ，平均功率25.3mW。由于环形腔是全正常色散，所产生的上述脉冲有线性频率变化(啁啾)，脉冲前沿频率较低，后沿频率较高。必须通过负色散元件使脉冲去啁啾，从而达到最窄脉冲(脉冲压缩)。
本发明利用啁啾放大器来对上述脉冲放大及去啁啾。参照图2，啁啾放大器包括依次连接的一级展宽器11、一级放大器以及负色散元件，一级放大器由有源光纤12、合束器13以及泵浦源14组成。一级展宽器11可以压制放大器中非线性效应，以降低脉冲峰值功率，其一般利用长度较长的光纤实现，具体实施时可选用为100m。一级放大器可以放大环形光纤激光器种子源所输出的脉冲功率，其具体参数优选为，有源光纤12的半径为20μm，长度为2m，泵浦源14的中心波长为975nm，功率为1.2W。另外，如果希望平均功率不变而要提高最后输出脉冲峰值功率，可以加一采摘器10，使脉冲频率为种子频率的1/N。
为了去啁啾可以用仼何负色散元件来补偿，例如光子晶体光纤，光纤光柵(透射的或反射的)，本实施例中负色散元件由啁啾反射光栅15和回转器16组成。啁啾脉冲通过回转器16入射到啁啾反射光栅15，反射光回到回转器16并从回转器16口输出。由于光栅是线性啁啾的，不同频率的光在光栅上不同位置反射，得到不同的延迟，从而改变了脉宽，例如脉冲前沿是低频，在远处反射，有大的延迟，反之后沿是高频，在近处反射，延迟较小，这就使脉冲压缩。
如前所述的脉冲宽度窄为6.21ps，脉冲谱宽7.55nm，脉冲频率40.8MHz，峰值功率89.4W，脉冲能量0.62nJ，平均功率25.3mW的超短脉冲经过啁啾放大器处理后，展宽器输出脉宽46.6ps，峰功率13.9W，谱宽11nm，其它频率，能量，平均功率不变。放大器输出脉冲峰功率为1.4kW，脉冲能量58.9nJ，平均功率2.4W。通过压缩器(负色散元件)后脉冲宽度为290fs，峰值功率177kW，谱宽11.1nm，脉冲频率仍为40.8MHz，平均功率仍为2.4W。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.用石墨烯饱和吸收体锁模的超短脉冲光纤激光器系统，其特征在于：包括环形光纤激光器种子源和啁啾放大器，所述环形光纤激光器种子源包括石墨烯饱和吸收体、连接有LD泵浦的波分复用器、掺Yb有源光纤、第一无源光纤、输出耦合器、带通滤波器、光隔离器以及第二无源光纤，石墨烯饱和吸收体、波分复用器、掺Yb有源光纤、第一无源光纤、输出耦合器、带通滤波器、光隔离器以及第二无源光纤依次连接成环形，所述石墨烯饱和吸收体为三层石墨烯膜，所述啁啾放大器包括依次连接的一级展宽器、一级放大器以及负色散元件，一级放大器由有源光纤、合束器以及泵浦源组成。
2.根据权利要求1所述的用石墨烯饱和吸收体锁模的超短脉冲光纤激光器系统，其特征在于：所述带通滤波器的中心波长为1030nm，滤波器谱宽为8nm，第一无源光纤的半径为3μm，长度为1.2m，第二无源光纤的半径为3μm，长度为3m，掺Yb有源光纤的半径为3μm，长度为0.8m，LD泵浦的功率为140mW。
3.根据权利要求1所述的用石墨烯饱和吸收体锁模的超短脉冲光纤激光器系统，其特征在于：一级展宽器为100m长的光纤，一级放大器的有源光纤的半径为20μm，长度为2m，泵浦源的中心波长为975nm，功率为1.2W。
4.根据权利要求1所述的用石墨烯饱和吸收体锁模的超短脉冲光纤激光器系统，其特征在于：所述负色散元件由啁啾反射光栅和回转器组成。
5.根据权利要求1所述的用石墨烯饱和吸收体锁模的超短脉冲光纤激光器系统，其特征在于：所述啁啾放大器还包括连接于一级展宽器前端的采摘器。
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