CN106785844A - 一种采用反射镜结构的二维纳米材料锁模全光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及一种采用反射镜结构的二维纳米材料锁模全光纤激光器，包括：泵浦源、波分复用器、单模光纤、增益光纤、光纤耦合器、偏振控制器、偏振无关隔离器、光纤环形器及二维纳米材料可饱和吸收体；泵浦源输出的泵浦光经过波分复用器、单模光纤入射到增益光纤，产生激光，入射到光纤耦合器，光纤耦合器将环形腔中的一部分激光分离，用于对光的测量，另一部分激光通过偏振控制器，调整光的偏振态，然后经过偏振无关隔离器，确保光的单向传输；从偏振无关隔离器中传输出的光进入光纤环形器，与二维纳米材料可饱和吸收体相互作用，并由反射镜重新反射回环形腔中，再入射到波分复用器中；经过多次放大，输出脉冲宽度为286fs的锁模激光。

Description

一种采用反射镜结构的二维纳米材料锁模全光纤激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种采用反射镜结构的二维纳米材料锁模全光纤激光器。
背景技术
锁模技术的兴起始于上个世纪60年代，届时稀土掺杂光纤的制备工艺已经日趋成熟，基于掺杂光纤增益介质和半导体激光器的锁模光纤激光器引起了各国学者的研究热情。锁模光纤激光器能够产生皮秒甚至飞秒量级的超短激光脉冲，这就使得它在物理学、生物学、光电子学等研究超快过程的领域有很好的应用前景。而相较于主动锁模过程，被动锁模光纤激光器结构简单、体积小、价格低廉、稳定性好，再加上光谱宽、脉宽窄，很容易实现飞秒级别的锁模，所以我们的发明主要应用于被动锁模光纤激光器。
被动锁模光纤激光器主要可分为三种：可饱和吸收体锁模光纤激光器，8字腔锁模光纤激光器，非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器。无论是8字腔锁模光纤激光器还是非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器，都是基于非线性双折射效应的“等效”快饱和吸收体，但是这样的激光器为了积累非线性相移必须增加腔的长度，这就使得锁模激光脉冲重复频率太低，其次，锁模脉冲的稳定性还受温度和应力的影响，所以在实际应用中人们更倾向于基于“真实”可饱和吸收体锁模光纤激光器。
目前，基于半导体可饱和吸收镜(Semiconductor Saturable Absorber Mirror，SESAM)实现的被动锁模，是最成熟也是应用最广泛的锁模技术。但是它也有很多不足，首先，受半导体带隙宽度和反射镜衬底的限制，SESAM的工作带宽很窄，限制在约200nm左右；其次，SESAM的制备过程复杂，价格昂贵，现在商用的SESAM仍然需要几千元一片；最关键的是，SESAM的损伤阈值很低，在一些稍高功率的应用中极易损坏，更换SESAM成本非常高。所以近年来，越来越多的研究者试图将二维材料可饱和吸收体作为SESAM的替代品，并取得了一定的成果。
常用的可饱和吸收体结构主要分为以下几类：(1)透射式，就是将可饱和吸收体材料用各种方法沉积在光纤的端面或者将可饱和吸收体材料做成PVA薄膜形式，然后通过法兰接入环形腔中，常用此方法的可饱和吸收体材料有石墨烯。但是这种方式有很多的缺点，首先，可饱和吸收体沉积的厚度是不可控的，不能满足比较精确的实验要求；其次，可饱和吸收体所受的应力是不可控的，因为材料处于两个法兰头之间，连接处的应力难以精确计算的，而可饱和吸收体受到的应力是会影响其吸收特性的；最重要的一点是，将材料放在两个法兰之间，不与空气直接接触，散热情况不理想，可能会降低可饱和材料的损伤阈值。(2)将材料置于拉锥光纤的拉锥区，利用倏逝场与材料的相互作用实现锁模，常用此方法的材料有：金属硫化物、拓扑绝缘体等。由于光纤拉锥光纤的锥腰越细越长，它所产生的倏逝场强度就越大，但是若拉锥光纤较细的话，很容易折断，取用和保存都非常的不方便，而且拉锥光纤的成本过高。
因此，发明一种成本低、可饱和吸收体材料厚度可控、散热情况良好、易于使用和保存的可饱和吸收体结构仍是实验和商业应用上的亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用反射镜结构的二维纳米材料锁模全光纤激光器，采用反射镜结构的可饱和吸收体材料和非线性偏振旋转技术实现了全光纤结构光纤激光器锁模，获得了286fs的超短激光脉冲输出，其制作工艺简单，价格合理，成本低，保存和使用都非常的方便，此外，其可饱和吸收体的沉积厚度的可控的，并且镀膜镜面是直接与空气接触的，散射情况良好。
为实现上述目的，本发明提供了一种二维纳米材料锁模全光纤激光器，包括：泵浦源、波分复用器、单模光纤、增益光纤、光纤耦合器、偏振控制器、光纤环形器和反射镜结构的二维纳米材料可饱和吸收体；
所述泵浦源，输出泵浦光；
所述波分复用器，具有第一输入端、第二输入端和第一输出端；所述第一输入端接收所述泵浦光，通过所述波分复用器对所述泵浦光和反馈光信号进行光信号合成，并通过所述第一输出端输出合成光束；
所述单模光纤，接收所述波分复用器输出的合成光束；
所述增益光纤，接收由所述单模光纤输出的合成光束，通过所述合成光束使得增益光纤中的稀土离子跃迁，从而对所述合成光束产生增益，输出激光；
所述光纤耦合器，具有第三输入端、第二输出端和第三输出端；所述第三输入端接收所述激光，通过所述光纤耦合器将所述激光进行分离，通过第二输出端输出第一激光，并通过第三输出端输出第二激光；
所述偏振控制器，接收所述第二激光，对所述第二激光进行偏振处理，输出至所述光纤环形器中；
所述光纤环形器，接收偏振后的激光，所述偏振后的激光与所述二维纳米材料可饱和吸收体相互作用，并由反射镜反射回环形腔中，输出所述反馈光信号，返回至所述波分复用器的第二输入端；所述激光经过多次放大后，输出脉冲宽度为286fs的锁模激光。
优选的，所述激光器还包括光纤准直器，接收所述第一激光，并输出平行光，由光电二极器探头接收，并传输至光谱仪和频谱仪中进行测量。
优选的，所述泵浦源的泵浦激光波长为980nm或1480nm，产生的所述激光波长为1550nm；所述泵浦源的光光转化效率大于40％；最大泵浦功率为200mW、300mW、500mW、680mW或750mW。
优选的，所述激光器还包括尾纤，所述合成光束在所述波分复用器与所述单模光纤之间通过所述尾纤传输；
所述尾纤为HI1060或SMF28或OFS光纤；插入损耗小于0.5dB。
优选的，所述单模光纤为HI1060或SMF28或OFS光纤或双包层光纤。
优选的，所述增益光纤具体为：
受激辐射波段在1000nm～1100nm间掺镱光纤或者在C和L通讯波段为1530nm～1610nm的掺铒光纤。
优选的，所述光纤耦合器的耦合比为50:50，75:25，90:10或99:1。
优选的，所述偏振控制器的消光比大于40dB。
优选的，所述激光器还包括：偏振无关隔离器，设置于所述偏振控制器与所述光纤环形器之间；其中，所述偏振无关隔离器的隔离度为55dB以上；
所述偏振无关隔离器隔离偏振后的激光，使最大功率为200mW至2W，波长为1295nm～1325nm，1530nm～1570nm、1535nm～1565nm或1990nm～2010nm的激光在设定方向上透过。
优选的，所述二维纳米材料可饱和吸收体包括石英玻璃衬底、金膜和饱和吸收的纳米材料；所述金膜镀于所述石英玻璃衬底上，所述饱和吸收的纳米材料镀于所述金膜上，从而形成反射镜结构的二维纳米材料。
本发明实施例提供的一种采用反射镜结构的二维纳米材料锁模全光纤激光器，用反射镜结构的可饱和吸收体材料和非线性偏振旋转技术实现了全光纤结构光纤激光器锁模，获得了286fs的超短激光脉冲输出，其制作工艺简单，价格合理，成本低，保存和使用都非常的方便，此外，其可饱和吸收体的沉积厚度的可控的，并且镀膜镜面是直接与空气接触的，散射情况良好。
附图说明
图1为本发明实施例提供的采用反射镜结构的二维纳米材料锁模全光纤激光器的光路结构示意图；
图2为本发明实施例提供的采用反射镜结构的二维纳米材料锁模全光纤激光器输出的286fs锁模脉冲激光示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明实施例提供的采用反射镜结构的二维纳米材料锁模全光纤激光器的光路结构示意图，如图1所示，包括：泵浦源1、波分复用器(Wavelength DivisionMultiplex，WDM)2、单模光纤3、增益光纤4、光纤耦合器(Optical Fiber Coupler，OC)5、偏振控制器(Polarization Controller，PC)6、偏振无关隔离器7、光纤环形器8和二维纳米材料可饱和吸收体9。其中，波分复用器2、单模光纤3、增益光纤4、光纤耦合器5、偏振控制器6、偏振无关隔离器7、光纤环形器8组成环形腔。
泵浦源1，为光纤耦合输出的半导体激光器，用于输出泵浦光；其中，泵浦源1的中心频率可以为974nm、976nm或1480nm；最大泵浦功率可以为200mW、300mW、500mW、680mW或750mW；泵浦源1的泵浦光波长为980nm或1480nm，产生的激光波长为1550nm；其光光转化效率可高达40％以上。
在一个具体的例子中，泵浦源1输出中心频率为976nm的激光，输出功率为680mW，光纤芯径为8.2微米，数值孔径0.14，光纤输出后经过波分复用器2后将激光耦合到环形腔中。
波分复用器2，具有第一输入端、第二输入端和第一输出端；第一输入端接收激光，通过波分复用器2对激光和反馈光信号进行光信号合成，并通过第一输出端输出合成光束。
具体的，波分复用器2能够将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输，其尾纤为HI1060或SMF28或OFS光纤；其中，插入损耗最大为0.55dB，连续波功率最大为300mW。
单模光纤3，接收波分复用器2输出的合成光束；其中，单模光纤3的数值孔径为0.14。利用这几种单模光纤3作为传输光纤，可获得不同输出功率的稳定锁模，其脉冲宽度也不一样。
具体的，单模光纤3为HI1060或SMF28或OFS光纤或双包层光纤，模间色散很小。
增益光纤4，接收由单模光纤3输出的合成光束，通过合成光束使得增益光纤4中的稀土离子跃迁，当稀土离子的能量等级下降时会将它的能量传递给从光纤中通过的合成光束，从而对合成光束产生增益，输出激光。
具体的，增益光纤4是在石英光纤中掺入了少量的稀土元素的光纤。其发射波长从1530nm到1610nm，泵浦波长为980nm和1480nm的掺铒光纤，对于激光单模光纤3的典型熔接损耗小于0.1dB，对于SMF-28e+光纤的典型熔接损耗小于0.15dB，增益为110±10dB/m，数值孔径为0.2。
其中，增益光纤4可以具体为受激辐射波段在1000nm～1100nm间掺镱光纤或者在C和L通讯波段为1530nm～1610nm的掺铒光纤。
光纤耦合器5，具有第三输入端、第二输出端和第三输出端；第三输入端接收激光，通过光纤耦合器5将激光进行分离，通过第二输出端输出第一激光，并通过第三输出端输出第二激光。
其中，光纤耦合器5具有较宽的带宽(±100nm)，耦合比可以为50:50，75:25，90:10或99:1；其适用于激光从输入端以指定耦合比分到两个输出端的应用。优选的，耦合比75:25或者90:10；耦合百分比为±3.5％，直径为3.3mm，最大功率水平为300mW。
光纤准直器(图中未示出)，接收所述第一激光，并输出平行光，由光电二极器(Photodiode，PD)探头接收，并传输至光谱仪和频谱仪中进行测量。
偏振控制器6，接收第二激光，对第二激光进行偏振处理，输出至光纤环形器中。其中，偏振控制器6的消光比大于40dB。
具体的，偏振控制器6通过机械挤压光纤截面来产生应力双折射，光纤外套为900微米，该控制器利用应力引起的双折射效应来改变在受到应力的光纤中传输的光的偏振态，通过压缩或者旋转可以产生应力，应力引起的双折射可以连续调节。相当于一个可变的旋转波片，且该波片的偏振角和延迟量都连续，独立可调，因此能将任意的输入偏振态旋转成所需的输出偏振态。
光纤环形器8，接收偏振后的激光，偏振后的激光与二维纳米材料可饱和吸收体9相互作用，并由反射镜反射回环形腔中，输出反馈光信号，返回至波分复用器2的第二输入端；激光经过多次放大后，输出脉冲宽度为286fs的锁模激光。
其中，光纤环形器8是不可逆的单向三端口器件，直径为5.5mm，最大的插入损耗为0.5dB，偏振模色散小于0.05ps，最大的光功率为500mW，偏振相关损耗小于0.1dB。
二维纳米材料可饱和吸收体9为一种基于二维纳米颗粒的可饱和吸收体器件，包括表面具有饱和吸收的纳米材料、金膜和石英玻璃衬底。金膜通过脉冲激光沉积(pulsedlaser deposition，PLD)方法镀在石英玻璃衬底的表面，二维纳米材料也用PLD方法镀在金膜的表面，从而形成反射镜结构的二维纳米材料可饱和吸收体。进一步的，充分利用可饱和吸收体的非线性特性，当光较弱时，可饱和吸收体吸收大部分光，当光较强时，可饱和吸收体几乎不吸收光，对光有“漂白”作用，未被吸收的光被金膜反射。具体的，二维纳米材料是指具有超快弛豫时间、宽带非线性吸收、高的非线性极化率、低的饱和强度和高的损伤阈值等特性的纳米材料。
在优选的实施例中激光器还包括偏振无关隔离器7，设置于偏振控制器6与光纤环形器8之间，确保光的单向传输。具体的，偏振无关隔离器7是只在一个方向透过光磁光装置，它能隔离光源(如激光)使特定方向的光能够透过，避免损坏最大功率为200mW至2W，波长范围为1295nm～1325nm，1530nm～1570nm，1535nm～1565nm，或者1990nm～2010nm的激光，偏振无关隔离器7的隔离度在55dB以上。
优选的，偏振无关隔离器7可以在任意位置提供相同的峰值隔离效果。可以将设计波长光波的偏振方向旋转45°，在隔离器中后向传播的光由于输出偏振器的作用，偏振方向为45°，与输入偏振器透射轴上光的偏振方向相差90°，因此，一个隔离器就可以阻断后向传播的光；调节范围为1510nm～1590nm,可承受最大功率为15W。
上述激光器的工作过程具体如下：
泵浦源输出的泵浦光经过波分复用器2、单模光纤3入射到增益光纤4进行增益，产生激光；激光入射到光纤耦合器5，光纤耦合器5将环形腔中的一部分激光分离，用于对光的测量，另一部分激光通过偏振控制器6，利用偏振控制器6调整光的偏振态，然后经过偏振无关隔离器7，确保光的单向传输；从偏振无关隔离器7中传输出的光进入光纤环形器8，与二维纳米材料可饱和吸收体9相互作用，并由反射镜重新反射回环形腔中，再入射到波分复用器2中；经过多次放大，最后输出脉冲宽度为286fs的锁模激光，图2为输出的286fs锁模脉冲激光示意图，该激光器可以获得输出功率为20mW的稳定连续锁模。在对激光进行相关数据的测量时，利用光纤准直器，将光纤耦合器中分离出的光变为平行光，然后经过一个光电二极器探头将光入射到光谱仪和频谱仪中进行测量。
本发明实施例提供的一种采用反射镜结构二维纳米材料锁模全光纤激光器，采用基于反射镜结构的二维纳米材料可饱和吸收体和非线性偏振旋转技术混合锁模机制，反射镜结构的二维纳米材料相比于传统其它结构的可饱和吸收体有许多的优点：1)跟SESAM相比，其制作工艺简单，价格合理，成本低；2)跟透射式结构相比，其可饱和吸收体的沉积厚度的可控的，并且镀膜镜面是直接与空气接触的，散热情况良好；3)跟拉锥光纤相比，其保存和使用都非常的方便，并且成本低。此外，该激光器具有很好的实用性和可操作性，结构紧凑小巧、适于重复生产和组装，适于批量化生产，有制作工艺简单、成本低、损伤阈值高等优点，可广泛应用于国防、工业、医疗、科研等领域。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用反射镜结构的二维纳米材料锁模全光纤激光器，其特征在于，所述激光器包括：泵浦源、波分复用器、单模光纤、增益光纤、光纤耦合器、偏振控制器、光纤环形器和反射镜结构的二维纳米材料可饱和吸收体；
所述泵浦源，输出泵浦光；
所述波分复用器，具有第一输入端、第二输入端和第一输出端；所述第一输入端接收所述泵浦光，通过所述波分复用器对所述泵浦光和反馈光信号进行光信号合成，并通过所述第一输出端输出合成光束；
所述单模光纤，接收所述波分复用器输出的合成光束；
所述增益光纤，接收由所述单模光纤输出的合成光束，通过所述合成光束使得增益光纤中的稀土离子跃迁，从而对所述合成光束产生增益，输出激光；
所述光纤耦合器，具有第三输入端、第二输出端和第三输出端；所述第三输入端接收所述激光，通过所述光纤耦合器将所述激光进行分离，通过第二输出端输出第一激光，并通过第三输出端输出第二激光；
所述偏振控制器，接收所述第二激光，对所述第二激光进行偏振处理，输出至所述光纤环形器中；
所述光纤环形器，接收偏振后的激光，所述偏振后的激光与所述二维纳米材料可饱和吸收体相互作用，并由反射镜反射回环形腔中，输出所述反馈光信号，返回至所述波分复用器的第二输入端；所述激光经过多次放大后，输出脉冲宽度为286fs的锁模激光。
2.根据权利要求1所述的采用反射镜结构的二维纳米材料锁模全光纤激光器，其特征在于，所述激光器还包括光纤准直器，接收所述第一激光，并输出平行光，由光电二极器探头接收，并传输至光谱仪和频谱仪中进行测量。
3.根据权利要求1所述的采用反射镜结构的二维纳米材料锁模全光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源的泵浦光波长为980nm或1480nm，产生的所述激光波长为1550nm；所述泵浦源的光光转化效率大于40％；最大泵浦功率为200mW、300mW、500mW、680mW或750mW。
4.根据权利要求1所述的采用反射镜结构的二维纳米材料锁模全光纤激光器，其特征在于，所述激光器还包括尾纤，所述合成光束在所述波分复用器与所述单模光纤之间通过所述尾纤传输；
所述尾纤为HI1060或SMF28或OFS光纤；插入损耗小于0.5dB。
5.根据权利要求1所述的采用反射镜结构的二维纳米材料锁模全光纤激光器，其特征在于，所述单模光纤为HI1060或SMF28或OFS光纤或双包层光纤。
6.根据权利要求1所述的采用反射镜结构的二维纳米材料锁模全光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤具体为：
受激辐射波段在1000nm～1100nm间掺镱光纤或者在C和L通讯波段为1530nm～1610nm的掺铒光纤。
7.根据权利要求1所述的采用反射镜结构的二维纳米材料锁模全光纤激光器，其特征在于，所述光纤耦合器的耦合比为50:50，75:25，90:10或99:1。
8.根据权利要求1所述的采用反射镜结构的二维纳米材料锁模全光纤激光器，其特征在于，所述偏振控制器的消光比大于40dB。
9.根据权利要求1所述的采用反射镜结构的二维纳米材料锁模全光纤激光器，其特征在于，所述激光器还包括：偏振无关隔离器，设置于所述偏振控制器与所述光纤环形器之间；其中，所述偏振无关隔离器的隔离度为55dB以上；
所述偏振无关隔离器隔离偏振后的激光，使最大功率为200mW至2W，波长为1295nm～1325nm，1530nm～1570nm、1535nm～1565nm或1990nm～2010nm的激光在设定方向上透过。
10.根据权利要求1所述的采用反射镜结构的二维纳米材料锁模全光纤激光器，其特征在于，所述二维纳米材料可饱和吸收体包括石英玻璃衬底、金膜和饱和吸收的纳米材料；所述金膜镀于所述石英玻璃衬底上，所述饱和吸收的纳米材料镀于所述金膜上，从而形成反射镜结构的二维纳米材料。
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