CN106058623A - 基于可饱和吸收材料与超弱倏逝场的全光纤超快激光器 - Google Patents

基于可饱和吸收材料与超弱倏逝场的全光纤超快激光器 Download PDF

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Abstract

一种基于可饱和吸收材料与超弱倏逝场的全光纤超快激光器，由泵浦激光器、合束器、泵浦增益光纤、包层功率剥离器、偏振无关隔离器、正色散光纤、偏振控制器、超弱倏逝场光纤、高功率宽带滤波器和耦合器组成；本发明的有益技术效果是：提供了一种全光纤超快激光器。

Description

基于可饱和吸收材料与超弱倏逝场的全光纤超快激光器
技术领域
本发明涉及一种激光器，尤其涉及一种基于可饱和吸收材料与超弱倏逝场的全光纤超快激光器。
背景技术
全光纤超快激光器具有结构简单、光束质量高、散热效果好、输出耦合方便等优点，在光纤通信与传感、激光微加工、以及非线性物理等领域具有广泛的应用前景。
现有的全光纤超快激光器一般通过单模半导体激光器泵浦掺杂光纤实现，由于受限于单模半导体激光器的输出功率（一般小于500mW），现有的全光纤超快激光器输出功率较低（十几毫瓦），仅能做为种子源使用；为得到高功率激光，需要在全光纤超快激光器中设置多级功率放大器，但是，在实现功率放大的同时也会引入较高的噪声，此外，多级功率放大器也会使系统的稳定性降低。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种基于可饱和吸收材料与超弱倏逝场的全光纤超快激光器，其创新在于：所述全光纤超快激光器由泵浦激光器、合束器、泵浦增益光纤、包层功率剥离器、偏振无关隔离器、正色散光纤、偏振控制器、超弱倏逝场光纤、高功率宽带滤波器和耦合器组成；所述合束器为双输入单输出，所述耦合器为单输入双输出；
所述超弱倏逝场光纤从如下三种结构中择一采用：
结构一：所述超弱倏逝场光纤采用拉锥光纤，所述拉锥光纤表面吸附有可饱和吸收材料；所述拉锥光纤由标准单模光纤经拉锥处理而得，拉锥光纤上的最小直径大于15微米，拉锥光纤上的最大直径小于30微米，拉锥光纤上的拉锥平衡区长度大于1厘米；
结构二：所述超弱倏逝场光纤采用腐蚀光纤，所述腐蚀光纤表面吸附有可饱和吸收材料；所述腐蚀光纤由标准单模光纤经氢氟酸溶液腐蚀而得：标准单模光纤的包层被氢氟酸溶液部分腐蚀，腐蚀后，标准单模光纤的直径为20~40微米；
结构三：所述超弱倏逝场光纤采用光子晶体光纤，所述光子晶体光纤的内孔壁上吸附有可饱和吸收材料；所述光子晶体光纤采用大孔薄壁柚子型光子晶体光纤，比如，可采用武汉烽火高科技有限公司生产的柚子型光子晶体光纤；
所述可饱和吸收材料采用石墨烯、碳纳米管、量子点或拓扑绝缘体；
泵浦激光器的输出端与合束器的第一输入端连接，合束器的输出端与泵浦增益光纤的一端连接，泵浦增益光纤的另一端与包层功率剥离器的输入端连接，包层功率剥离器的输出端与偏振无关隔离器的输入端连接，偏振无关隔离器的输出端与正色散光纤的一端连接，正色散光纤的另一端与偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端与超弱倏逝场光纤的一端连接，超弱倏逝场光纤的另一端与高功率宽带滤波器的输入端连接，高功率宽带滤波器的输出端与耦合器的输入端连接，耦合器的第一输出端与合束器的第二输入端连接，耦合器的第二输出端形成全光纤超快激光器的输出端。
本发明的核心创新点在于在激光腔内引入了超弱倏逝场光纤；在现有技术中，为了实现超快激光器，最常见的手段就是把饱和吸收材料做成很薄的膜片直接贴在激光腔内的光纤端面上；由于受到模场面积的限制，现有的超快激光器在泵浦光功率达到瓦量级时，其饱和吸收材料膜就被烧坏了，因此无法获得高功率的超短激光脉冲；而在本发明中，按本发明方案所得到的超弱倏逝场光纤上，仅有很微弱的倏逝场能够突破光纤的模场束缚与饱和吸收材料发生作用，这就大大的提高了激光腔的热损伤阈值，使得激光腔可以在瓦量级的泵浦光功率条件下正常运行，利用饱和吸收材料的饱和吸收特性以及吸收恢复时间，就能实现激光腔内损耗的自动快速调制，使原本相位随机分布的各激光纵模实现相位锁定，从而获得高功率的超短激光脉冲；另外，本发明中没有使用波分复用器来引入泵浦光，而是采用的基于合束器和泵浦增益光纤的多模双包层泵浦技术，这也大大的提高了泵浦效率。
另外本发明中实现激光输出的波段范围由选择的掺杂光纤的种类决定，除了双包层铒镱共掺光纤之外，还可以选择双包层掺镱光纤，并同样用980nm泵浦激光器进行泵浦，此时可以得到1um附近的激光输出；如果选用双包层掺铥光纤，用790nm泵浦激光器进行泵浦，可以得到2um附近的激光输出，因此本发明可以针对不同应用环境提供多种波长选择，适应性较广。
所述隔离器用于实现激光腔的单向运行；所述偏振控制器用来优化整个激光腔的偏振状态；
前述方案中涉及到的一些词汇，发明人作如下说明：
“超弱倏逝场光纤”：“超弱倏逝场光纤”并非专业术语，在本发明中，“超弱倏逝场光纤”特指按结构一、结构二和结构三方案所得到的光纤，因为他们都具有超弱的倏逝场，因此，本发明中将其称为“超弱倏逝场光纤”；
“可饱和吸收材料”：“可饱和吸收材料”并非材料学上的术语，在本发明中，“可饱和吸收材料”特指石墨烯、碳纳米管、量子点和拓扑绝缘体，因为这些材料都具有可饱和吸收的特性，因此本发明将其称为“可饱和吸收材料”；
优选地，所述泵浦激光器采用980nm泵浦激光器。
优选地，所述泵浦增益光纤采用双包层铒镱共掺光纤。
优选地，所述高功率宽带滤波器的带宽为为15-25nm；滤波器是激光器中的常用装置，本发明所采用的高功率宽带滤波器主要是为了配合本发明的高功率泵浦光使用，具体选型时，高功率宽带滤波器只要带宽在15-25nm，并且能够承受瓦量级的光功率，就能满足需要；
优选地，所述耦合器的第一输出端和第二输出端的分光比为9︰1。
优选地，所述腐蚀光纤的长度为1~5厘米。
优选地，所述光子晶体光纤的长度为1~5厘米。
优选地，所述石墨烯为颗粒状；所述碳纳米管为颗粒状；所述量子点为粉末状；所述拓扑绝缘体为粉末状。具体应用时，碳纳米管可采用直径1-2nm、长度1-3nm的超短单壁碳纳米管；量子点可采用MoS2；拓扑绝缘体可采用Sb2Te3晶体粉末。
本发明的有益技术效果是：提供了一种全光纤超快激光器。
附图说明
图1、本发明的结构示意图；
图中各个标记所对应的名称分别为：泵浦激光器1、合束器2、泵浦增益光纤3、包层功率剥离器4、偏振无关隔离器5、正色散光纤6、偏振控制器7、超弱倏逝场光纤8、高功率宽带滤波器9、耦合器10。
具体实施方式
一种基于可饱和吸收材料与超弱倏逝场的全光纤超快激光器，其创新在于：所述全光纤超快激光器由泵浦激光器1、合束器2、泵浦增益光纤3、包层功率剥离器4、偏振无关隔离器5、正色散光纤6、偏振控制器7、超弱倏逝场光纤8、高功率宽带滤波器9和耦合器10组成；所述合束器2为双输入单输出，所述耦合器10为单输入双输出；
所述超弱倏逝场光纤8从如下三种结构中择一采用：
结构一：所述超弱倏逝场光纤8采用拉锥光纤，所述拉锥光纤表面吸附有可饱和吸收材料；所述拉锥光纤由标准单模光纤经拉锥处理而得，拉锥光纤上的最小直径大于15微米，拉锥光纤上的最大直径小于30微米，拉锥光纤上的拉锥平衡区长度大于1厘米；
结构二：所述超弱倏逝场光纤8采用腐蚀光纤，所述腐蚀光纤表面吸附有可饱和吸收材料；所述腐蚀光纤由标准单模光纤经氢氟酸溶液腐蚀而得：标准单模光纤的包层被氢氟酸溶液部分腐蚀，腐蚀后，标准单模光纤的直径为20~40微米；
结构三：所述超弱倏逝场光纤8采用光子晶体光纤，所述光子晶体光纤的内孔壁上吸附有可饱和吸收材料；所述光子晶体光纤采用大孔薄壁柚子型光子晶体光纤；
所述可饱和吸收材料采用石墨烯、碳纳米管、量子点或拓扑绝缘体；
泵浦激光器1的输出端与合束器2的第一输入端连接，合束器2的输出端与泵浦增益光纤3的一端连接，泵浦增益光纤3的另一端与包层功率剥离器4的输入端连接，包层功率剥离器4的输出端与偏振无关隔离器5的输入端连接，偏振无关隔离器5的输出端与正色散光纤6的一端连接，正色散光纤6的另一端与偏振控制器7的输入端连接，偏振控制器7的输出端与超弱倏逝场光纤8的一端连接，超弱倏逝场光纤8的另一端与高功率宽带滤波器9的输入端连接，高功率宽带滤波器9的输出端与耦合器10的输入端连接，耦合器10的第一输出端与合束器2的第二输入端连接，耦合器10的第二输出端形成全光纤超快激光器的输出端。
进一步地，所述泵浦激光器1采用980nm泵浦激光器。如果选择的是掺铥光纤，则泵浦采用790nm泵浦激光器。
进一步地，所述泵浦增益光纤3采用双包层铒镱共掺光纤，如果要实现1um激光输出应选用双包层掺镱光纤，要实现2um的激光输出，应选用双包层掺铥光纤。
进一步地，所述高功率宽带滤波器9的带宽为15-25 nm。
进一步地，所述耦合器10的第一输出端和第二输出端的分光比为9︰1。
进一步地，所述腐蚀光纤的长度为1~5厘米。
进一步地，所述光子晶体光纤的长度为1~5厘米。
进一步地，所述石墨烯为颗粒状；所述碳纳米管为颗粒状；所述量子点为粉末状；所述拓扑绝缘体为粉末状。
为了便于本领域技术人员实施，本发明还将超弱倏逝场光纤8的制作方法公开如下：
将可饱和吸收材料配制为溶液，对于结构一和结构二，拉锥操作或腐蚀操作完成后，将光纤浸泡到前述溶液中，待可饱和吸收材料附着在光纤表面后，将光纤取出并在真空箱内干燥，干燥后，超弱倏逝场光纤8即制作完成；对于结构三，直接利用虹吸效应，使前述溶液填充到光子晶体光纤的空气孔内，然后在真空箱内对光子晶体光纤进行干燥处理，干燥后的光子晶体光纤即形成超弱倏逝场光纤8；具体应用时，为了对超弱倏逝场光纤8起到保护作用，还可将超弱倏逝场光纤8封装在密闭的容器内；
在制作结构一和结构二的超弱倏逝场光纤8时，本领域技术人员还应注意，光纤在溶液中浸泡的时间越长，光纤表面附着的可饱和吸收材料的量就越多，附着的可饱和吸收材料越多，光纤损耗就越大，因此，在制作时，应将光纤损耗控制在一定范围，一种较为简单的控制手段是，将光纤的一端通入100 mW的980nm激光，光纤的另一端接功率计，浸泡过程中，实时观察功率计的读数，当光纤损耗达到1~3dB时，就应停止浸泡操作。

Claims (8)

1.一种基于可饱和吸收材料与超弱倏逝场的全光纤超快激光器，其特征在于：所述全光纤超快激光器由泵浦激光器（1）、合束器（2）、泵浦增益光纤（3）、包层功率剥离器（4）、偏振无关隔离器（5）、正色散光纤（6）、偏振控制器（7）、超弱倏逝场光纤（8）、高功率宽带滤波器（9）和耦合器（10）组成；所述合束器（2）为双输入单输出，所述耦合器（10）为单输入双输出；
所述超弱倏逝场光纤（8）从如下三种结构中择一采用：
结构一：所述超弱倏逝场光纤（8）采用拉锥光纤，所述拉锥光纤表面吸附有可饱和吸收材料；所述拉锥光纤由标准单模光纤经拉锥处理而得，拉锥光纤上的最小直径大于15微米，拉锥光纤上的最大直径小于30微米，拉锥光纤上的拉锥平衡区长度大于1厘米；
结构二：所述超弱倏逝场光纤（8）采用腐蚀光纤，所述腐蚀光纤表面吸附有可饱和吸收材料；所述腐蚀光纤由标准单模光纤经氢氟酸溶液腐蚀而得：标准单模光纤的包层被氢氟酸溶液部分腐蚀，腐蚀后，标准单模光纤的直径为20~40微米；
结构三：所述超弱倏逝场光纤（8）采用光子晶体光纤，所述光子晶体光纤的内孔壁上吸附有可饱和吸收材料；所述光子晶体光纤采用大孔薄壁柚子型光子晶体光纤；
所述可饱和吸收材料采用石墨烯、碳纳米管、量子点或拓扑绝缘体；
泵浦激光器（1）的输出端与合束器（2）的第一输入端连接，合束器（2）的输出端与泵浦增益光纤（3）的一端连接，泵浦增益光纤（3）的另一端与包层功率剥离器（4）的输入端连接，包层功率剥离器（4）的输出端与偏振无关隔离器（5）的输入端连接，偏振无关隔离器（5）的输出端与正色散光纤（6）的一端连接，正色散光纤（6）的另一端与偏振控制器（7）的输入端连接，偏振控制器（7）的输出端与超弱倏逝场光纤（8）的一端连接，超弱倏逝场光纤（8）的另一端与高功率宽带滤波器（9）的输入端连接，高功率宽带滤波器（9）的输出端与耦合器（10）的输入端连接，耦合器（10）的第一输出端与合束器（2）的第二输入端连接，耦合器（10）的第二输出端形成全光纤超快激光器的输出端。
2.根据权利要求1所述的基于可饱和吸收材料与超弱倏逝场的全光纤超快激光器，其特征在于：所述泵浦激光器（1）采用980nm泵浦激光器。
3.根据权利要求1所述的基于可饱和吸收材料与超弱倏逝场的全光纤超快激光器，其特征在于：所述泵浦增益光纤（3）采用双包层铒镱共掺光纤。
4.根据权利要求1所述的基于可饱和吸收材料与超弱倏逝场的全光纤超快激光器，其特征在于：所述高功率宽带滤波器（9）的带宽为15-25 nm。
5.根据权利要求1所述的基于可饱和吸收材料与超弱倏逝场的全光纤超快激光器，其特征在于：所述耦合器（10）的第一输出端和第二输出端的分光比为9︰1。
6.根据权利要求1所述的基于可饱和吸收材料与超弱倏逝场的全光纤超快激光器，其特征在于：所述腐蚀光纤的长度为1~5厘米。
7.根据权利要求1所述的基于可饱和吸收材料与超弱倏逝场的全光纤超快激光器，其特征在于：所述光子晶体光纤的长度为1~5厘米。
8.根据权利要求1所述的基于可饱和吸收材料与超弱倏逝场的全光纤超快激光器，其特征在于：所述石墨烯为颗粒状；所述碳纳米管为颗粒状；所述量子点为粉末状；所述拓扑绝缘体为粉末状。
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