CN106549291A - 可实现调q锁模与连续锁模可切换的光纤激光系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可实现调Q锁模与连续锁模可切换的光纤激光系统，采用基于反射式石墨烯饱和吸收镜的全保偏光纤锁模技术，包括全保偏掺铒光纤激光器，所述全保偏掺铒光纤激光器包括1m熊猫型保偏掺铒光纤、980/1550保偏波分复用器、石墨烯可饱和吸收镜、30％输出保偏耦合器、保偏环形器和976nm激光二极管；所述全保偏掺铒光纤激光器采用全保偏光纤谐振腔；采用单层石墨烯作为可饱和吸收体，实现了无偏振调节情况下，仅依靠调节反射镜角度实现调Q锁模和连续锁模可切换输出的高稳定单一线偏振飞秒激光光源。

Description

可实现调Q锁模与连续锁模可切换的光纤激光系统

技术领域

本发明涉及一种石墨烯被动锁模光纤激光器，属于激光技术领域。

背景技术

脉冲光纤激光器作为脉冲光源具有结构紧凑，稳定性高，转化效率高，光束质量好，易维护和成本低等优势，在工业加工，医疗，通信等领域具有广泛的应用前景。尤其基于光纤锁模技术的超短脉冲研究在精细加工，光纤传感，精密光学测量等领域潜力巨大。目前所报道的主要锁模光纤激光技术包括非线性偏振旋转(nonlinear polarizationevolution，NPR)锁模、非线性光纤环镜(nonlinear optical loop mirrors，NOLM)锁模、半导体可饱和吸收镜(semiconductor saturable absorber mirror，SESAM)锁模以及单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotubes，SWNT)锁模等。NPR与NOLM技术的缺点是在激光腔内加入的起偏器和偏振控制器等元件导致了腔内更多损耗。SESAM制作和封装工艺复杂，价格昂贵且可饱和吸收谱范围较窄。SWNT因其作用波长与其纳米管直径尺寸相关，对波长具有选择性，从而限制了其应用。

石墨烯自2004年问世以来，以其独特的非线性光学特性，及优秀的可饱和吸收特性而获得越来越多的关注。其独特的线性能带结构，可使其在很宽的光谱范围(300～3000nm)实现非线性饱和吸收；另外，石墨烯还具有较高的调制深度、高的损伤阈值、超快的恢复时间，价格低廉、易于制作等优点。所以，基于石墨烯的光调制技术已经成为脉冲光纤激光器的研究热点。

锁模状态分为2类，即连续波锁模状态和调Q锁模状态。在某些应用中，要求连续的脉冲能量和高重复频率，这时需要连续锁模光纤激光器，而调Q锁模状态具有更高的峰值功率和渐增的脉冲能量，在非线性频率转换、微结构加工和激光医疗上有更多的应用。2009年，南洋理工大学Bao等首次以石墨烯作为可饱和吸收体实现了脉冲宽度为756fs，重复频率为1.79MHz，中心波长为1565nm的掺铒锁模光纤激光输出。2013年，南开大学Sheng等采用石墨烯配合微纳光纤通过调节腔内偏振态，实现了1.5μm调Q锁模锁模切换的掺铒光纤激光器。同年，湖南大学Wang等采用透射式石墨烯结构在中心波长1570.45nm处获得了调Q锁模脉冲输出。2015年，南开大学杨光等通过拉锥光纤上附着石墨烯实现了2μm波段调Q锁模脉冲输出。但是这些石墨烯饱和吸收体被动锁模光纤激光器容易受环境的变化而不稳定，这意味着它们是对诸如显著温度变化和机械扰动这类外部引起的变化较为敏感的，这将影响光纤的双折射特性，致使锁模激光器稳定性降低。

因此，需要一种能有效地实现调Q锁模与连续锁模可切换的光纤激光系统，是采用单层石墨烯作为可饱和吸收体，无偏振调节情况下，仅依靠调节反射镜角度实现调Q锁模和连续锁模可切换输出的高稳定单一线偏振飞秒激光光源。

发明内容

本发明提供一种可实现调Q锁模与连续锁模可切换的光纤激光系统，采用基于反射式石墨烯饱和吸收镜的全保偏光纤锁模技术，包括全保偏掺铒光纤激光器，所述全保偏掺铒光纤激光器包括1m熊猫型保偏掺铒光纤、980/1550保偏波分复用器、石墨烯可饱和吸收镜、30％输出保偏耦合器、保偏环形器和976nm激光二极管；所述全保偏掺铒光纤激光器采用全保偏光纤谐振腔。

所述保偏光纤和保偏器件均由Fujikura光纤熔接机沿慢轴精确对准熔接。

所述1m熊猫型保偏掺铒光纤在976nm处的吸收系数约为24dB/m，在1550nm波长处具有约-0.02ps2/m的群速度色散。

所述保偏环形器具有较高的隔离度(～50dB)，使得激光在腔内的单向传输，并可把10层石墨烯可饱和吸收镜有效接入到全保偏光纤谐振腔内；所述全保偏光纤谐振腔总腔长约为6.5m，总群速度色散约为-0.13ps2。

所述光纤激光系统是由带单模尾纤输出的976nm激光二极管进行反向泵浦。

所述光纤激光系统采用反射式石墨烯可饱和吸收镜，所述石墨烯可饱和吸收镜包括反射镜。

本发明中采用全保偏光纤谐振腔，全保偏光纤谐振腔具有：

(1)可避免环境中外力(压力、弯曲等)引起的光纤双折射变化造成锁模激光不稳定；

(2)可保持激光以单一线偏振方向沿保偏光纤慢轴在腔内传输，更易实现锁模脉冲自启动；

(3)可减少偏振控制器等元件的使用，降低腔内损耗等优势。相比于目前常见的基于透射式结构石墨烯锁模的全保偏光纤激光器，本发明中采用反射式石墨烯可饱和吸收镜，具有更灵活的调节空间，便于腔内激光增益和损耗的调节。

锁模激光器工作在调Q锁模或连续锁模状态由腔内脉冲能量是否大于临界腔内脉冲能量决定。临界腔内脉冲能量为：

其中E_c为临界腔内脉冲能量，E_sat,G为增益饱和能量通常为10μJ，E_sat,A为饱和吸收能量，ΔT为调制深度。当腔内脉冲能量大于E_c时，激光器运行在连续锁模状态，否则将运行在调Q锁模状态。

本发明通过调节反射镜角度控制回光量，来调节腔内损耗，控制腔内脉冲能量，实现激光器工作状态的切换。

因光纤环形器近准直输出，投射在平面反射镜上的光斑直径较小，因此平面反射镜相对于光束可以认为是一空间平面。

分别设反射镜架的调节器与平面反射镜接触点为A(1,0,z₁)， 如图1所示。因此，该平面可被表示为：

该平面法向量可表示为：

此时该平面与水平面夹角可以表示为：

由保偏环形器出射的光束截面积为圆形，经过反射镜反射后会在原出射平面上成一个椭圆形的像斑，如图2所示，椭圆形即为光束在出射平面的像斑，圆形为出射光束位置，其相交的阴影区域即为经过反射后重新回到光纤谐振腔中的光，阴影区的面积即为回光光束的面积S；因光斑约为直径10μs左右，面积较小，因此光斑中的光强可以近似看作平均分布，因此回光功率P'为：

P′＝PS/(πRR′) (5)

其中P′为回光光束功率，P为入射光束功率，S为回光光束面积，R为入射光束截面半径，R′为回光光斑长半轴长。

其中g可近似看作计算阴影区面积的半径，g＝L-x，根据几何关系可知回光光束面积为：

如图3所示，为光路截面图，其中h为入射光到达反射镜面的最远距离，α为反射镜平面与入射平面的夹角，红色箭头表示光束，黄色线段表示反射镜，黑色表示入射光平面,其中h＝h₁+h₂，由几何关系得：

x＝h₂tan(2α)

x′＝h tan(2α)

经过计算得：

将求出的数据代入(6)式，便可以求出回光光束入射面积S，最终带入(5)式便可以求出回光功率P'与α之间的关系，由于未返回的光功率可以看作为腔内损耗，回光功率与出射功率的比值为该部分光路的光透过率，得出回光功率与腔内功率是成正比的，即得出腔内功率与α之间的关系，从而得出腔内功率与反射镜调节角度之间的关系，实现调Q锁模与连续锁模状态的切换。

本发明是采用单层石墨烯作为可饱和吸收体，实现了无偏振调节情况下，仅依靠调节反射镜角度实现调Q锁模和连续锁模可切换输出的高稳定单一线偏振飞秒激光光源。

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示意性示出反射镜架的调节器与平面反射镜接触点A、B、C。

图2示意性示出反射镜反射示意图，椭圆形即为光束在出射平面的像斑，圆形为出射光束位置，其相交的阴影区域即为经过反射后重新回到光纤谐振腔中的光,其中P′为回光光束功率，P为入射光束功率，S为回光光束面积，R为入射光束截面半径，R′为回光光斑长半轴长。

图3示意性示出本发明的光路截面图，其中h为入射光到达反射镜面的最远距离，α为反射镜平面与入射平面的夹角；红色箭头表示光束，黄色线段表示反射镜，黑色线段表示入射光平面。

图4示意性示出数字示波器测得的锁模脉冲序列。

图5示意性示出激光器的锁模光谱。

图6示意性示出数字示波器测得的锁模脉冲序列。

图7示意性示出隐藏在调Q脉冲包络中的锁模子脉冲观察图。

图8示意性示出调Q锁模脉冲的光谱。

图9示意性示出调Q锁模脉冲包络重复频率与脉冲宽度随泵浦功率变化曲线。

图10示意性示出基于反射式石墨烯可饱和吸收镜锁模的全保偏掺铒光纤激光器示意图，其中101为1m熊猫型保偏掺铒光纤，102为980/1550保偏波分复用器，103为石墨烯可饱和吸收镜，104为30％输出保偏耦合器，105为保偏环形器，106为976nm激光二极管。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

如图10所示，本发明提供的是一种可实现调Q锁模与连续锁模可切换的光纤激光系统，采用基于反射式石墨烯饱和吸收镜的全保偏光纤锁模技术，包括全保偏掺铒光纤激光器，所述全保偏掺铒光纤激光器包括1m熊猫型保偏掺铒光纤101、980/1550保偏波分复用器102、石墨烯可饱和吸收镜103、30％输出保偏耦合器104、保偏环形器105和976nm激光二极管106；所述全保偏掺铒光纤激光器采用全保偏光纤谐振腔。

所述光纤激光系统采用反射式石墨烯可饱和吸收镜103，所述石墨烯可饱和吸收镜103包括反射镜。

所述保偏光纤和保偏器件均由Fujikura光纤熔接机沿慢轴精确对准熔接。

所述1m熊猫型保偏掺铒光纤101在976nm处的吸收系数约为24dB/m，在1550nm波长处具有约-0.02ps2/m的群速度色散。

所述保偏环形器105具有较高的隔离度(～50dB)，使得激光在腔内的单向传输，并可把10层石墨烯可饱和吸收镜103有效接入到全保偏光纤谐振腔内；所述全保偏光纤谐振腔总腔长约为6.5m，总群速度色散约为-0.13ps2。

所述光纤激光系统是由带单模尾纤输出的976nm激光二极管106进行反向泵浦。

本发明使用的石墨烯制备方法如下：

首先，通过化学气相沉积法沉积在铜箔载片上；

然后，使用低温转移方法，利用PMMA高分子溶液逐层转移到保护金反射镜上，使石墨烯与反射镜充分接触，避免产生气泡；

利用丙酮将PMMA溶解去除；

从而得到高质量的单层或多层石墨烯饱和吸收镜。

当泵浦功率升至69mW时，调节单层石墨烯可饱和吸收镜103，使E_i＞E_c时，可获得稳定的自启动锁模脉冲输出。如图4所示，为数字示波器测得的锁模脉冲序列，脉冲序列稳定，相邻脉冲间隔约为31.80ns，与激光器的腔长符合，说明此时激光器处在连续锁模状态，如图5所示，为激光器的锁模光谱，中心波长为1558.95nm，3dB谱宽为4.48nm。

当泵浦功率升至94mW时，3dB谱宽为4.97nm，平均功率为3.478 mW，对应的单脉冲能量为0.11nJ。从光谱上可以观察到明显的凯利边带，说明激光器工作在孤子锁模状态。在同样泵浦功率下，继续调节反射镜角度，直E_i＜E_c至时，开始出现调q锁模现象，如图6所示，为数字示波器测得的锁模脉冲序列。此时脉冲调Q包络的重复频率为11.45kHz，包络半高宽为10.1μs。通过调节示波器的显示范围，可观察到隐藏在调Q脉冲包络中的锁模子脉冲，如图7所示。锁模子脉冲的脉冲间隔为32.10ns，重复频率为31.15MHz，与腔长符合，且为基频。调Q锁模脉冲的光谱，如图8所示。中心波长为1557.69nm，3dB光谱宽度为0.07nm。

随着泵浦功率从69.6mW增加到191.3mW，激光器输出状态保持为调Q锁模，激光器的输出功率从0.895mW增加到9.354mW。脉冲的调Q包络重复频率逐渐增加，包络宽度逐渐减小。如图9所示，为调Q锁模脉冲包络重复频率与脉冲宽度随泵浦功率变化曲线，在随着泵浦功率从69.6mW增加到191.3mW，调Q包络的重复频率从11.45kHz增加到40.41kHz，包络脉冲宽度从10.10μs降低到3.62μs。

本发明采用单层石墨烯作为可饱和吸收体，通过调节反射镜角度控制回光量，来调节腔内损耗，控制腔内脉冲能量，实现了无偏振调节情况下，仅依靠调节反射镜角度实现调Q锁模和连续锁模可切换输出的高稳定单一线偏振飞秒激光光源。

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 (6)

1.一种可实现调Q锁模与连续锁模可切换的光纤激光系统，采用基于反射式石墨烯饱和吸收镜的全保偏光纤锁模技术，包括全保偏掺铒光纤激光器，所述全保偏掺铒光纤激光器包括1m熊猫型保偏掺铒光纤、980/1550保偏波分复用器、石墨烯可饱和吸收镜、30％输出保偏耦合器、保偏环形器和976nm激光二极管；

所述全保偏掺铒光纤激光器采用全保偏光纤谐振腔；

所述保偏光纤和保偏器件均由Fujikura光纤熔接机沿慢轴精确对准熔接；

所述光纤激光系统采用反射式石墨烯可饱和吸收镜，所述石墨烯可饱和吸收镜包括反射镜；

所述光纤激光系统是由带单模尾纤输出的976nm激光二极管进行反向泵浦。

2.如权利要求1所述的光纤激光系统，所述1m熊猫型保偏掺铒光纤在976nm处的吸收系数约为24dB/m，在1550nm波长处具有约-0.02ps2/m的群速度色散。

3.如权利要求1所述的光纤激光系统，所述保偏环形器具有较高的隔离度(～50dB)，使得激光在腔内的单向传输，并可把10层石墨烯可饱和吸收镜有效接入到全保偏光纤谐振腔内；所述全保偏光纤谐振腔总腔长约为6.5m，总群速度色散约为-0.13ps2；

4.如权利要求1所述的光纤激光系统，其中使用的石墨烯制备方法如下：

通过化学气相沉积法沉积在铜箔载片上；

使用低温转移方法，利用PMMA高分子溶液逐层转移到保护金反射镜上，使石墨烯与反射镜充分接触，避免产生气泡；

利用丙酮将PMMA溶解去除；

从而得到高质量的单层或多层石墨烯饱和吸收镜。

5.如权利要求1所述的系统，其锁模激光器工作在调Q锁模或连续锁模状态由腔内脉冲能量是否大于临界腔内脉冲能量决定；临界腔内脉冲能量为：

$E_c=\sqrt{E_{sat,G}*E_{sat,A}*\mathrm{\Δ}T}---\left(1\right)$

其中E_c为临界腔内脉冲能量，当腔内脉冲能量大于E_c时，激光器运行在连续锁模状态，否则将运行在调Q锁模状态。

6.如权利要求1所述的系统，其通过调节反射镜角度控制回光量来调节腔内损耗，控制腔内脉冲能量，实现激光器工作状态的切换；

分别设反射镜架的调节器与平面反射镜接触点为A(1,0,z₁)，故该平面可被表示为：

$\left(\frac{z_2+z_3-2z_1}{z_1+z_2+z_3}\right)x+\frac{\sqrt{3}}{2}\left(\frac{z_3-z_2}{z_1+z_2+z_3}\right)y+\left(\frac{3}{z_1+z_2+z_3}\right)z=1---\left(2\right)$

该平面法向量可表示为：

$\stackrel{\→}{m}=(\frac{z_2+z_3-2z_1}{z_1+z_2+z_3},\frac{z_3-z_2}{z_1+z_2+z_3},\frac{3}{z_1+z_2+z_3})---\left(3\right)$

此时该平面与水平面夹角可以表示为：

$\cos <\stackrel{\&RightArrow;}{m},\stackrel{\&RightArrow;}{z}>-\frac{6}{\sqrt{4{(z_2+z_3-2z_1)}^2+3{(z_3-z_2)}^2+36}}---\left(4\right)$

回光功率P′为：

P′＝PS/(πRR′) (5)

根据几何关系可知回光光束面积为：

$S=2{\&Integral;}_0^{g_{MAX}}(L-x)dg---\left(6\right)$

由几何关系得：

x＝h₂tan(2α)

x′＝h tan(2α)

$tan\mathrm{\&alpha;}=\frac{h_1}{2R}$

h＝h₁+h₂

经过计算得：

$x=h\frac{2cos\mathrm{\&alpha;}\sqrt{1-{\cos }^2\mathrm{\&alpha;}}}{2{\cos }^2\mathrm{\&alpha;}-1}-2\sqrt{R^2-g^2}\frac{2(1-{\cos }^2\mathrm{\&alpha;})}{2{\cos }^2\mathrm{\&alpha;}-1}---\left(7\right)$

$x^{\&prime;}=h\frac{2cos\mathrm{\&alpha;}\sqrt{1-{\cos }^2\mathrm{\&alpha;}}}{2{\cos }^2\mathrm{\&alpha;}-1}---\left(8\right)$

$g_{MAX}=\sqrt{R^2-h^2{\cos }^2\mathrm{\&alpha;}(1-{\cos }^2\mathrm{\&alpha;})}---\left(9\right)$

代入(6)式，求出回光光束入射面积S；

代入(5)式便可以求出回光功率P'与α之间的关系，由于回光功率与腔内功率是成正比的，即得出腔内功率与α的关系，从而得出腔内功率与反射镜调节角度之间的关系，实现调Q锁模与连续锁模状态的切换。