CN107317219B - 基于二硫化铼可饱和吸收体的双波长脉冲光纤激光器 - Google Patents

基于二硫化铼可饱和吸收体的双波长脉冲光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于二硫化铼可饱和吸收体的双波长脉冲光纤激光器，包括第一谐振腔反射件、第二谐振腔反射件、第三谐振腔反射件、第四谐振腔反射件、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一掺杂光纤、第二掺杂光纤、第一波分复用器、第二波分复用器、二硫化铼可饱和吸收体和泵浦源；通过两个不同反射波长的光纤布拉格光栅形成两个串联的激光谐振腔，二者共用同一个可饱和吸收体器件；可饱和吸收体采用机械剥离法制备少层结构的二硫化铼薄膜并将其转移到光纤端面形成，通过二硫化铼的宽带非线性光学吸收效应将连续运转的腔内激光转换为调Q脉冲激光输出；采用两种稀土离子掺杂光纤，可获得双波长的同步调Q脉冲激光输出。

Description

基于二硫化铼可饱和吸收体的双波长脉冲光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器及非线性光学领域，尤其是涉及一种基于二硫化铼可饱和吸收体的双波长被动调Q脉冲光纤激光器。
背景技术
脉冲光纤激光具有持续时间极短、峰值功率极高、光谱带宽极宽的新型激光光源。因此，在瞬态光学、光通信和信息处理、光纤传感、医学诊断和材料加工等领域具有重要的应用。被动锁模技术是光纤激光器实现脉冲激光输出的一种有效途径，其关键技术是在光纤激光器谐振腔中插入可饱和吸收体。目前采用的碳纳米管，SESAM等可饱和吸收体存在损伤阈值低、插入损耗大等问题，而且实现双波长脉冲激光输出主要集中在固体激光器上，这种激光器存在结构复杂，非线性效应严重，成本高等问题。
发明内容
针对现有制备技术的缺陷和不足，本发明的目的是提供了一种基于二硫化铼可饱和吸收体的双波长被动调Q脉冲光纤激光器，通过二硫化铼的非线性可饱和吸收及偏振调制实现具有大脉冲能量、低重复频率(kHz)的微秒量级双波长调Q脉冲激光输出。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：
基于二硫化铼可饱和吸收体的双波长脉冲光纤激光器，包括第一线型激光谐振腔和第二线型激光谐振腔，所述的第一线型激光谐振腔和第二线型激光谐振腔通过一个可饱和吸收体串联；
所述的第一线型激光谐振腔可产生1064nm的波长，所述的第二线型激光谐振腔可产生1550nm的波长。
进一步的，所述的第一线型激光谐振腔包括第一谐振腔反射件、第三谐振腔反射件、第一偏振控制器、第一掺杂光纤、第一波分复用器、可饱和吸收体和第一泵浦源；所述的第一谐振腔反射件、第一偏振控制器、第一掺杂光纤、第一波分复用器、可饱和吸收体、第三谐振腔反射件依次首尾连接，所述的第一泵浦源连接在第一波分复用器上；
所述的第二线型激光谐振腔包括第二谐振腔反射件、二硫化铼可饱和吸收体、第二波分复用器、第二掺杂光纤、第二偏振控制器和第四谐振腔反射件；所述的第二谐振腔反射件、可饱和吸收体、第二波分复用器、第二掺杂光纤、第二偏振控制器和第四谐振腔反射件依次首尾连接，所述的第二泵浦源连接在第二波分复用器上。
进一步的，所述的第二谐振腔反射件插入第一线型激光谐振腔内，所述的第三谐振腔反射件插入第二线型激光谐振腔内。
进一步的，所述的可饱和吸收体为二硫化铼可饱和吸收体。
进一步的，所述的第一谐振腔反射件为光纤布拉格光栅或光纤耦合器，所述的第四谐振腔反射件为光纤布拉格光栅或光纤耦合器，所述的第二谐振腔反射件和第三谐振腔反射件均为光纤布拉格光栅。
进一步的，所述的第一谐振腔反射件为对1064nm波长部分反射的光栅，所述的第四谐振腔反射件为对1550nm波长部分反射的光栅；所述的第二谐振腔反射件为对1550nm波长全反射的光栅，所述的第三谐振腔反射件为对1064nm波长全反射的光栅。
进一步的，所述的第一谐振腔反射件可以将1064nm的波长部分输出；所述的第四谐振腔反射件可将1550nm波长部分输出；第二谐振腔反射件为对1550nm波长全反射的光栅；所述的第三谐振腔反射件为对1064nm波长全反射的光栅。
进一步的，所述的第一掺杂光纤和第二掺杂光纤分别为掺镱、铒等稀土离子光纤。
进一步的，所述的二硫化铼可饱和吸收体包括光纤和二硫化铼薄膜，所述的二硫化铼薄膜平铺于光纤的端面。
进一步的，所述的光纤为单模光纤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用在谐振腔中间插入对不同波长具有高反射率的两个光纤光栅实现对两个子激光腔的串联。两个串联的线型腔构成双波长激光器，通过共用同一个可饱和吸收体实现双波长被动调Q脉冲激光输出。
(2)本发明通过将二硫化铼薄膜转移到光纤端面上，通过光纤连接器的光垂直通过二硫化铼薄膜并与之产生非线性作用，再结合不同的谐振腔长度、掺杂光纤种类，可以在偏振控制器的调制下获得稳定的双波长被动调Q脉冲激光输出，输出激光的波长包括1μm和1.5μm两个主要的近红外波段。
(3)本发明采用二硫化铼半导体材料作为非线性介质与光纤激光器结合，获得二维可饱和吸收材料，采用机械剥离后沿自然晶格取向排列的二硫化铼薄膜作为非线性光学器件，保存了二硫化铼原子层的各项异性特性，实现了一种具有偏振选择特性的二维可饱和吸收体器件的制备。
附图说明
图1是本发明采用光纤光栅作为输出端的被动调Q脉冲光纤激光器的结构示意图。
图2是本发明采用光纤耦合器作为输出端的被动调Q脉冲光纤激光器的结构示意图。
图3是本发明实施例中被动调Q脉冲激光的输出脉冲序列。
图4是本发明实施例中被动调Q脉冲激光的输出单脉冲包络。
图5是本发明实施例中1μm被动调Q脉冲激光的输出光谱图。
图6是本发明实施例中1μm被动调Q脉冲激光在重复频率附近测量的射频谱。
图7是本发明实施例中1μm被动调Q脉冲激光的宽带(1MHz)谐波射频谱。
图8是本发明实施例中1.5μm被动调Q脉冲激光的输出光谱图。
图9是本发明实施例中1.5μm被动调Q脉冲激光在重复频率附近测量的射频谱。
图10是本发明实施例中1.5μm被动调Q脉冲激光的谐波射频谱。
图中各标号的含义：1-第一谐振腔反射件，2-第二谐振腔反射件，3-第三谐振腔反射件，4-第四谐振腔反射件，5-第一偏振控制器，6-第二偏振控制器，7-第一掺杂光纤，8-第二掺杂光纤，9-第一波分复用器，10-第二波分复用器，11-二硫化铼可饱和吸收体，12-第一泵浦源，13-第二泵浦源。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
本发明的基于二硫化铼可饱和吸收体的双波长脉冲光纤激光器，包括第一线型激光谐振腔和第二线型激光谐振腔，第一线型激光谐振腔和第二线型激光谐振腔通过一个可饱和吸收体串联。
其中，第一线型激光谐振腔用于产生1064nm波长的激光，第二线型激光谐振腔用于产生1550nm波长的激光；第一线型激光谐振腔与可饱和吸收体连接可产生1064nm波长的被动调Q激光，第二线型激光谐振腔与可饱和吸收体连接可产生1550nm波长的被动调Q激光，
本发明的可饱和吸收体采用二硫化铼可饱和吸收体，具体使用机械剥离法制备少层结构的二硫化铼薄膜并将其转移到光纤端面形成，通过二硫化铼的宽带非线性光学吸收效应将连续运转的腔内激光转换为调Q脉冲激光输出；通过二硫化铼的非线性可饱和吸收及偏振调制实现具有大脉冲能量、低重复频率(kHz)的微秒量级双波长调Q脉冲激光输出。
具体的，本发明的第一线型激光谐振腔包括第一谐振腔反射件1、第一偏振控制器5、第一掺杂光纤7、第一波分复用器9、二硫化铼可饱和吸收体11、第三谐振腔反射件3和第一泵浦源12；第一谐振腔反射件1、第一偏振控制器5、第一掺杂光纤7、第一波分复用器9、可饱和吸收体11、第三谐振腔反射件3依次首尾连接，第一泵浦源12连接第一波分复用器9上。
第二线型激光谐振腔包括第二谐振腔反射件2、二硫化铼可饱和吸收体11、第二波分复用器10、第二掺杂光纤8、第二偏振控制器6、第四谐振腔反射件4和第二泵浦源13构成；第二谐振腔反射件2、可饱和吸收体11、第二波分复用器10、第二掺杂光纤8、第二偏振控制器6和第四谐振腔反射件4依次首尾连接，第二泵浦源13连接第二波分复用器10上。
具体的，第一掺杂光纤7和第二掺杂光纤8为掺镱、铒等稀土离子光纤，该光纤可激发波长为1μm或1.5μm波段。本发明中使用的光纤优选单模光纤。
可选的，四个谐振腔反射件可均为光纤布拉格光栅；第一谐振腔反射件1为对1064nm波长部分反射的光栅，第四谐振腔反射件4为对1550nm波长部分反射的光栅；第二谐振腔反射件2为对1550nm波长全反射的光栅，所述的第三谐振腔反射件3为对1064nm波长全反射的光栅。
可选的，第一谐振腔反射件1和第四谐振腔反射件4为光纤耦合器，第二谐振腔反射件2和第三谐振腔反射件3为光纤布拉格光栅，其中，第一谐振腔反射件1可以将1064nm的波长部分输出，第四谐振腔反射件4可将1550nm波长部分输出，第二谐振腔反射件2为对1550nm波长全反射的光栅；第三谐振腔反射件3为对1064nm波长全反射的光栅。
本发明中激光在两个线型激光腔内的传输过程：
第一谐振腔反射件1为对1064nm波长激光具有部分反射的光纤布拉格光栅或光纤耦合器，第三谐振腔反射件3为对1064nm波长激光具有全反射的光纤布拉格光栅或光纤耦合器，二者之间的构件形成第一个线型激光腔，在该谐振腔内，激射波长由第一泵浦源12通过波分复用器9抽运掺杂光纤7产生，后经过偏振控制器5优化激光的偏振态，到达第一谐振腔反射件1处，激光从第一谐振腔反射件1以10％的耦合比(光纤布拉格光栅)或者20％耦合比(光纤耦合器)输出，其余激光从第一谐振腔反射件1反射经过偏振控制器5、掺杂光纤7、波分复用器9、可饱和吸收体11(产生调Q脉冲)至第三谐振腔反射件3，激光第三谐振腔反射件3全部反射，依次经过可饱和吸收体11、波分复用器9、掺杂光纤7、偏振控制器5、第一谐振腔反射件1处，其中10％或者20％输出，其余反射，依次循环。在第一个线型激光腔内，由于第二谐振腔反射件2是对1550nm波长激光具有反射效果的光纤布拉格光栅或光纤耦合器，因此，在此处不会对第一个线型激光腔内激光的传输产生作用和影响。
第二谐振腔反射件2和第四谐振腔反射件4分别为对1550nm波长激光具有部分反射和全反射的光纤布拉格光栅或光纤耦合器，二者之间形成第二个线型激光腔，在该谐振腔内，激射波长由第二泵浦源13通过波分复用器10抽运掺杂光纤8产生，偏振控制器6用于优化激光偏振态，可饱和吸收体11用于产生调Q脉冲；激光传输过程与第一个线型激光腔中激光的传输过程相同。1550nm调Q脉冲激光在第二线型激光腔内往返传输，并从第四谐振腔反射件4输出。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例中，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1
结合图1，本实施例给出基于二硫化铼可饱和吸收体的双波长脉冲光纤激光器，包括第一谐振腔反射件1、第二谐振腔反射件2、第三谐振腔反射件3、第四谐振腔反射件4、第一偏振控制器5、第二偏振控制器6、第一掺杂光纤7、第二掺杂光纤8、第一波分复用器9、第二波分复用器10、二硫化铼可饱和吸收体11、第一泵浦源12和第二泵浦源13；二硫化铼可饱和吸收体11的一端顺次连接第二谐振腔反射件2、第一波分复用器9、第一掺杂光纤7、第一偏振控制器5、第一谐振腔反射件1，二硫化铼可饱和吸收体11的另一端顺次连接第三谐振腔反射件3、第二波分复用器10、第二掺杂光纤8、第二偏振控制器6、第四谐振腔反射件4；第一波分复用器9上连接第一泵浦源12，第二波分复用器10上连接第二泵浦源13；
第一掺杂光纤7为掺镱光纤，第二掺杂光纤8为掺铒光纤。二硫化铼可饱和吸收体11包括光纤和二硫化铼薄膜，二硫化铼薄膜设于光纤的端面。
第一谐振腔反射件1、第一偏振控制器5、第一掺杂光纤7、第一波分复用器9、二硫化铼可饱和吸收体11和第三谐振腔反射件3构成第一线型激光谐振腔，第二谐振腔反射件2、二硫化铼可饱和吸收体11、第二波分复用器10、第二掺杂光纤8、第二偏振控制器6和第四谐振腔反射件4构成第二线型激光谐振腔。
第一谐振腔反射件1、第二谐振腔反射件2、第三谐振腔反射件3、第四谐振腔反射件4均为光纤布拉格光栅。第一谐振腔反射件1为对1064nm波长部分反射的光栅，第三谐振腔反射件3为对1064nm波长全反射的光栅，第二谐振腔反射件2为对1550nm波长全反射的光栅，第四谐振腔反射件4为1550nm波长部分反射的光栅。本实施例中所用光纤为单模光纤。
其中，光纤布拉格光栅1和3作为掺镱光纤激光器的两个反射镜形成1μm线型腔，激光从光纤布拉格光栅1以10％耦合比输出；光纤布拉格光栅2和4作为掺铒光纤激光器的两个反射镜形成1.5μm线型腔，激光从光纤布拉格光栅4以5％的耦合比输出。
实施例2
结合图2，本实施例给出一种基于二硫化铼可饱和吸收体的双波长脉冲光纤激光器，与实施例1的区别在于：
第一谐振腔反射件1和第四谐振腔反射件4为光纤耦合器，第二谐振腔反射件2和第三谐振腔反射件3为光纤布拉格光栅。第一谐振腔反射件1可以将1064nm波长部分输出，第三谐振腔反射件3为对1064nm波长全反射的光栅，第二谐振腔反射件2为对1550nm波长全反射的光栅，第四谐振腔反射件4可以将1550nm波长部分输出。
其中，将光纤耦合器1和4的另外两端光纤熔接形成光纤全反射镜作为激光器的耦合输出镜，分别以20％和10％的耦合比输出激光，光纤耦合器1和光纤布拉格光栅3形成1μm激光腔，光纤耦合器4和光纤布拉格光栅2形成1.5μm激光腔。
本实施例的测试结果如下：
二硫化铼可饱和吸收体的光学吸收随入射光强的增加而减小，价带电子通过入射光激发跃迁到导带，在入射光强达到一定强度时由于泡利阻塞实现吸收饱和，这种被动光学材料可实现一种自调制的光调制器件。如图3所示为基于二硫化铼可饱和吸收体的双波长被动调Q激光器在65.3kHz时测量的输出脉冲序列图，图4为将图3中的单个脉冲放大后的结果，其脉冲宽度为1.623μs，图5所示为掺镱光纤激光器调Q脉冲的输出光谱图，中心波长为1047nm，半高全宽为4.68nm。图6所示为掺镱光纤激光器调Q脉冲在输出重复率附近的射频输出谱，具有40dB的信噪比。图7为掺镱光纤激光器在1MHz宽带范围内输出脉冲的频谱。图8所示为掺铒光纤激光器调Q脉冲的输出光谱图，中心波长为1559.4nm，半高全宽为1.4nm。图9所示为掺铒光纤激光器调Q脉冲在输出重复率附近的射频输出谱，具有40dB的信噪比。图10为掺铒光纤激光器在1MHz宽带范围内输出脉冲的频谱。由于两个激光器共用同一个可饱和吸收体，其输出脉冲序列具有相同的重复频率，输出可以保持同步。

Claims (3)

1.基于二硫化铼可饱和吸收体的双波长脉冲光纤激光器，包括第一线型激光谐振腔和第二线型激光谐振腔，其特征在于：所述的第一线型激光谐振腔和第二线型激光谐振腔通过一个可饱和吸收体(11)串联；
所述的可饱和吸收体为二硫化铼可饱和吸收体；所述的二硫化铼可饱和吸收体(11)包括光纤和二硫化铼薄膜，所述的二硫化铼薄膜平铺于光纤的端面；
所述的第一线型激光谐振腔包括第一谐振腔反射件(1)、第三谐振腔反射件(3)、第一偏振控制器(5)、第一掺杂光纤(7)、第一波分复用器(9)、可饱和吸收体(11)和第一泵浦源(12)；所述的第一谐振腔反射件(1)、第一偏振控制器(5)、第一掺杂光纤(7)、第一波分复用器(9)、可饱和吸收体(11)、第三谐振腔反射件(3)依次首尾连接，所述的第一泵浦源(12)连接在第一波分复用器(9)上；
所述的第二线型激光谐振腔包括第二谐振腔反射件(2)、二硫化铼可饱和吸收体(11)、第二波分复用器(10)、第二掺杂光纤(8)、第二偏振控制器(6)、第四谐振腔反射件(4)和第二泵浦源(13)；所述的第二谐振腔反射件(2)、可饱和吸收体(11)、第二波分复用器(10)、第二掺杂光纤(8)、第二偏振控制器(6)和第四谐振腔反射件(4)依次首尾连接，所述的第二泵浦源(13)连接在第二波分复用器(10)上；
第一掺杂光纤(7)为掺镱光纤，第二掺杂光纤(8)为掺铒光纤；
所述的第二谐振腔反射件(2)插入第一线型激光谐振腔内，所述的第三谐振腔反射件(3)插入第二线型激光谐振腔内；
所述的第一谐振腔反射件(1)为光纤布拉格光栅或光纤耦合器，所述的第四谐振腔反射件(4)为光纤布拉格光栅或光纤耦合器，所述的第二谐振腔反射件(2)和第三谐振腔反射件(3)均为光纤布拉格光栅；
当所述的第一谐振腔反射件(1)选择光纤布拉格光栅时，其为对1064nm波长部分反射的光栅，当所述的第四谐振腔反射件(4)选择光纤布拉格光栅，其为对1550nm波长部分反射的光栅；所述的第二谐振腔反射件(2)为对1550nm波长全反射的光栅，所述的第三谐振腔反射件(3)为对1064nm波长全反射的光栅；
所述的第一线型激光谐振腔可产生1064nm的波长，所述的第二线型激光谐振腔可产生1550nm的波长。
2.如权利要求1所述的基于二硫化铼可饱和吸收体的双波长脉冲光纤激光器，其特征在于：所述的第一谐振腔反射件(1)可以将1064nm的波长部分输出；所述的第四谐振腔反射件(4)可将1550nm波长部分输出；第二谐振腔反射件(2)为对1550nm波长全反射的光栅；所述的第三谐振腔反射件(3)为对1064nm波长全反射的光栅。
3.如权利要求1至2任一权利要求所述的基于二硫化铼可饱和吸收体的双波长脉冲光纤激光器，其特征在于：所述的光纤为单模光纤。
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