CN106253040A - 一种通过石墨烯反射镜切换波长的锁模光纤激光器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种通过石墨烯反射镜切换波长的锁模光纤激光器系统，所述系统包括依次连接的泵浦源、波分复用光纤耦合器、掺铒增益光纤、隔离器、环形器、金属反射镜、石墨烯可饱和吸收体和输出耦合器，其中所述石墨烯可饱和吸收体贴附于所述金属反射镜表面；所述金属反射镜设置成沿垂直于激光入射的方向旋转一定角度；从所述泵浦源发出的泵浦光通过波分复用光纤耦合器的泵浦端进入所述掺铒保偏增益光纤中，产生的光经过所述环形器逆时针振荡放大，所述环形器把信号光由其第一端口导入到第二端口输出，从第二端口输出的近似准直的激光经过连接的短棒型光纤，经金属反射镜反射，再次入射进第二端口，然后从第三端口出射进入所述输出耦合器。

Description

一种通过石墨烯反射镜切换波长的锁模光纤激光器系统
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种通过石墨烯反射镜切换波长的锁模光纤激光器系统以及波长切换方法。
背景技术
光纤激光器具有体积小、重量轻、转换效率高、输出激光光束质量好等优点，因此近年来得到迅猛发展。特别是锁模光纤激光器由于能够超短脉冲激光，在探测诊断、生物医药、精密微加工和军事等众多领域有着广阔的前景。锁模技术主要可分为主动锁模、被动锁模、自锁模和混合锁模技术。其中被动锁模技术由于不需要外界附加调制源，易于实现全光纤化的优势，成为研究的热点，有着重要的实际应用意义。
被动锁模光纤激光技术的基本原理是结合谐振腔中光纤的色散、激光的非线性效应、光纤对激光的增益与损耗四者之间的平衡，并且经过被动锁模元件对激光强度或相位的非线性吸收作用实现激光的相位锁定，从而获得超短脉冲激光输出。通常实现被动锁模的光纤激光技术有半导体可饱和吸收镜(SESAM)、碳纳米管(SWNT)等技术，但是这两种技术都存在不足。SESAM制作工艺复杂、生产成本高、可饱和吸收光谱范围相对较窄。SWNT因对激光波长有选择性而不能普适。最近，石墨烯(Graphene)材料被发现可用作新型的可饱和吸收体，可用于光纤激光器锁模。石墨烯是由单层碳原子精密堆积成的二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料。作为饱和吸收体，石墨烯具有很宽的波长工作范围，并且制作简单，工艺多样化，可以利用物理机械剥离和化学沉积等方法实现。
全保偏锁模光纤激光器是可以实现线偏振超短脉冲激光输出的激光系统，激光腔内的增益光纤和传输光纤是由折射率横向异性的光纤组成，例如熊猫光纤等。相对于普通锁模光纤激光器，全保偏锁模光纤激光器的光纤双折射特征因不易受到周围环境温度及力矩的影响，输出的锁模激光更加稳定。并且，输出的线偏振激光在许多领域有更好的应用价值，例如精细微加工、科学研究等领域。
发明内容
区别于现有NPR技术实现双波长锁模激光输出，本发明直接通过调节保偏光纤输出的近似线偏振激光的方位角分别在中心波长1532nm和1558nm处实现激光锁模输出。本发明提供了一种双波长调节更为方便，并可实现高消光比线偏振激光输出的超短脉冲光纤激光系统。通过准直器切换波长的锁模光纤激光器系统以及波长切换方法。
本发明的技术解决方案是：提供了一种通过石墨烯反射镜切换波长的锁模光纤激光器系统，所述系统包括依次连接的泵浦源、波分复用光纤耦合器、掺铒增益光纤、隔离器、环形器、金属反射镜、石墨烯可饱和吸收体和输出耦合器，其中所述石墨烯可饱和吸收体贴附于所述金属反射镜表面；所述金属反射镜设置成沿垂直于激光入射的方向旋转一定角度；从所述泵浦源发出的泵浦光通过波分复用光纤耦合器的泵浦端进入所述掺铒保偏增益光纤中，产生的光经过所述环形器逆时针振荡放大，所述环形器把信号光由其第一端口导入到第二端口输出，从第二端口输出的近似准直的激光经过连接的短棒型光纤，经金属反射镜反射，再次入射进第二端口，然后从第三端口出射进入所述输出耦合器，分出一定比例的功率的激光输出。
优选地，所述波分复用光纤耦合器中的信号传输光纤包括保偏光纤。
优选地，所述泵浦源包括激光器和尾纤为单模光纤。
优选地，所述输出耦合器是输出比例30:70的保偏光纤耦合器。
优选地，所述玻璃短棒型光纤端口的光纤是短棒型光纤，外径1.6mm，长度2.6mm，端面为倾斜7-12°角，可对纤芯传输的1.5μm激光在端口处实现近似准直输出。
优选地，所述玻璃短棒型光纤端口的端面为倾斜8°角。
优选地，所述金属反射镜紧靠所述第二端口放置，间隔在0.1-2毫米之间。
优选地，所述石墨烯可饱和吸收体的层厚度是100nm-10um之间
优选地，所述石墨烯可饱和吸收体的层厚度是800nm-1um之间。
本发明具有以下优点：
1、本发明采用保偏光纤作为锁模光纤激光器的环形谐振腔，实现高消光比的线偏振激光输出。
2、本发明采用金属反射镜作为调节偏振角和正交偏振态相位延迟，实现两个中心波长激光锁模输出，结构简单，操作便利。
3、本发明采用多层石墨烯饱和吸收体作为锁模器件，降低了制作成本和工艺难度，易于实现产业化。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1为可调节的两个中心波长锁模的脉冲光纤激光系统的结构图。
图2为图1中的保偏光纤环形器和石墨烯可饱和吸收体的局部结构放大。
图3为分辨率为0.02nm的光谱仪测量输出的锁模激光光谱图。
图4为带宽1GHz的示波器测量输出的锁模激光脉冲时域图。
具体实施方式
参见图1，本发明提供了一种可调节的两个中心波长锁模的脉冲光纤激光系统100，该系统100包括依次连接的泵浦源1、波分复用光纤耦合器2、掺铒增益光纤3、隔离器9、环形器4、金属反射镜5、石墨烯可饱和吸收体6和输出耦合器7。其中石墨烯可饱和吸收体6贴附于金属反射镜5表面。
其中，从泵浦源1发出的泵浦光通过波分复用光纤耦合器2的泵浦端进入长度为1m的掺铒保偏增益光纤3中，产生的C+L波段的信号光经过隔离器9逆时针振荡放大。隔离器9对顺时针方向的信号光完全隔离，这种设计优点是可以完全滤除信号光中剩余的泵浦光。环形器4把信号光由端口a导入到端口b输出，从端口b输出的近似准直的激光经过贴附石墨烯可饱和吸收体6的金属反射镜5反射后实现了锁模放大，再次入射进端口b，然后从端口c出射进入耦合器。最后，锁模放大的激光经过输出耦合器7分出一定比例的功率的激光输出。
优选地，所述泵浦源1包括激光器和尾纤为单模光纤；
所述掺铒增益光纤是对泵浦光高吸收比的高浓度保偏掺铒光纤。
优选地，所述输出耦合器是输出比例30:70的保偏光纤耦合器，即锁模放大的激光经过输出耦合器7分出30％的功率的激光输出。
金属反射镜5设置成可以沿着图1所示的方向，即沿着垂直于激光入射的方向旋转一定角度，例如±30度之间。
优选地，波分复用光纤耦合器中的信号传输光纤包括保偏光纤。
根据本发明，掺铒增益光纤3的芯径由所采用的有源光纤决定，包层芯径优选为125μm，光纤纤芯的芯径可以选用4μm、8μm或10μm，优选为10/125μm。根据本发明具体实施例，光纤的类型应与泵浦源1的泵浦波长相匹配。
掺铒光纤所匹配的泵浦波长可采用980nm或1480nm，根据波长和芯径参数进一步确定波分复用光纤耦合器2的参数。最终出射的激光波长在有源光纤一定增益范围内(如1530-1560nm)由布拉格光纤光栅的反射波长确定。掺铒光纤的典型出射波长为1064nm。
例如，在本实施例中，若选用芯径为10/125μm掺铒光纤作为增益介质。泵浦源1输出波长976nm，可在该范围内获得激光输出。实验中若选用芯径为10/125μm掺铒光纤作为增益介质，泵浦源1的尾纤需选取同样型号芯径。泵浦源1为915nm单模输出，可在该范围内获得激光输出。
图2为图1中的保偏光纤环形器和石墨烯可饱和吸收体的局部结构放大。
如图2所示，其中由保偏光纤组成的环形器4把信号光由端口a导入到端口b，所述端口b连接有短棒型光纤8，从端口b出射的近似准直的激光经过短棒型光纤8出射到贴附石墨烯可饱和吸收体6的金属反射镜5层上，再经过贴附石墨烯可饱和吸收体6的金属反射镜5反射后，再次入射进端口b，经端口c进入环形腔锁模放大。金属反射镜5紧靠端口9放置，例如间隔在0.1-2毫米之间，尽量增加反射的信号光在端口9的耦合输入。
根据本发明的一个实施例，短棒型光纤8的外径1.6mm，长度2.6mm，端面为倾斜角度7-12°，优选8°，可对纤芯传输的1.5μm激光在端口处实现近似准直输出。
根据本发明的一个实施例，所述短棒型光纤8优选为玻璃材质。
所述石墨烯饱和吸收体6可通过机械剥离及化学合成等方法制备出单层石墨烯膜，然后通过湿法转移或干法转移等贴附在金属镜面，可通过层层叠加方法，制备出5-10层石墨烯饱和吸收体。石墨烯可饱和吸收体6的层厚度例如是100nm-10um之间，优选在800nm-1um之间。
所述金属反射镜是反射率大于90％的镀金或镀银反射镜。
因为金属反射镜5可改变入射光偏振态方位角和正交偏振态的相位延迟，如公式(3)所示的金属反射镜反射的偏振光方位角和正交偏振态的相位延迟与入射光的偏振态关系。
tanαr＝Pe-iΔφtanαi (3)
在上式中，αr和αi分别表示反射和入射线偏振态激光的方位角，P代表反射系数，Δφ代表快慢轴的相位延迟。所以，通过精密调节反射镜5的反射角度，可改变反射光的偏振态方位角及正交偏振分量的相位延迟，进而，根据公式(2)，实现调节不同波长激光的增益与损耗。最终可分别在中心波长1532nm和1558nm处实现激光锁模输出。
Δφ＝ΔφPC+ΔφLB+ΔφNL，ΔφLB＝2πLBm/λ (3)
在上面公式中，T代表传输系数，θ代表起偏角，代表检偏角，ΔφPC、ΔφLB和ΔφNL分别代表偏振控制器、光纤双折射和非线性效应引起的位相延迟，L和Bm分别代表激光腔长和光纤归一化双折射率。其中，光纤双折射引发的位相延迟随波长成反比例变化，可以实现滤波功能。
图3为分辨率为0.02nm的光谱仪测量输出的锁模激光光谱图。图4为带宽1GHz的示波器测量输出的锁模激光脉冲时域图。
根据本发明的掺铒光纤激光器可以调节贴附有石墨烯饱和吸收体层的金属反射镜的角度，从而可改变入射光偏振态方位角和正交偏振态的相位延迟，可以实现1532nm和1558nm两个中心波长锁模，从而可以改变对应波长的激光透射率和增益与损耗，实现不同波长激光放大同时锁模。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (9)

1.一种通过石墨烯反射镜切换波长的锁模光纤激光器系统，所述系统包括依次连接的泵浦源、波分复用光纤耦合器、掺铒增益光纤、隔离器、环形器、金属反射镜、石墨烯可饱和吸收体和输出耦合器，其中
所述石墨烯可饱和吸收体贴附于所述金属反射镜表面；
所述金属反射镜设置成沿垂直于激光入射的方向旋转一定角度；
从所述泵浦源发出的泵浦光通过波分复用光纤耦合器的泵浦端进入所述掺铒保偏增益光纤中，产生的光经过所述环形器逆时针振荡放大，所述环形器把信号光由其第一端口导入到第二端口输出，从第二端口输出的近似准直的激光经过连接的短棒型光纤，经金属反射镜反射，再次入射进第二端口，然后从第三端口出射进入所述输出耦合器，分出一定比例的功率的激光输出。
2.根据权利要求1所述的锁模光纤激光器系统，所述波分复用光纤耦合器中的信号传输光纤包括保偏光纤。
3.根据权利要求1所述的锁模光纤激光器系统，所述泵浦源包括激光器和尾纤为单模光纤。
4.根据权利要求1所述的锁模光纤激光器系统，所述输出耦合器是输出比例30:70的保偏光纤耦合器。
5.根据权利要求1所述的锁模光纤激光器系统，所述玻璃短棒型光纤端口的光纤是短棒型光纤，外径1.6mm，长度2.6mm，端面为倾斜7-12°角，可对纤芯传输的1.5μm激光在端口处实现近似准直输出。
6.根据权利要求6所述的锁模光纤激光器系统，所述玻璃短棒型光纤端口的端面为倾斜8°角。
7.根据权利要求1所述的锁模光纤激光器系统，所述金属反射镜紧靠所述第二端口放置，间隔在0.1-2毫米之间。
8.根据权利要求1所述的锁模光纤激光器系统，所述石墨烯可饱和吸收体的层厚度是100nm-10um之间。
9.根据权利要求8所述的锁模光纤激光器系统，所述石墨烯可饱和吸收体的层厚度是800nm-1um之间。
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