CN108539572A - 一种基于石墨烯电光调制的双波长同步调q光纤激光器 - Google Patents

一种基于石墨烯电光调制的双波长同步调q光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于石墨烯电光调制的双波长同步调Q光纤激光器，包括：第一光纤激光腔、第二光纤激光腔和空间光调制腔，第一光纤激光腔产生第一波长激光，且第一光纤激光腔与空间光调制腔光学耦合形成第一线型激光腔，第二光纤激光腔产生第二波长激光，且第二光纤激光腔与空间光调制腔光学耦合形成第二线型激光腔；空间光调制腔中设置有石墨烯电光调制器，并对第一波长激光和第二波长激光进行同步电光调制；第一线型激光腔作为电光调制后第一波长激光的振荡激光腔，第二线型激光腔作为电光调制后第二波长激光的振荡激光腔。本发明通过将两个光纤激光腔与一个空间光调制腔耦合实现了重复频率可控、工作带宽宽的微秒量级双波长脉冲激光同步输出。

Description

一种基于石墨烯电光调制的双波长同步调Q光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器及光调制技术领域，尤其是涉及一种基于石墨烯电光调制的双波长同步调Q光纤激光器。
背景技术
双波长同步脉冲激光器在拉曼散射光谱和非线性频率转换等领域显现出了巨大的应用潜能，目前常用的实现双波长同步脉冲激光器的方法包括主动和被动调Q/锁模，相较于锁模方式需要和腔长精确匹配，调Q方式脉冲的产生和输出特性依赖于泵浦功率，与被动方式相比较，稳定性好的主动调制方式由于缺乏宽带主动器件而受到了限制。石墨烯是一种碳原子以六角蜂窝结构共价结合的二维层状材料，由于其独特的零带隙结构使其具备优异的光电材料特性，目前，已经被广泛应用于光电子学、光子学及非线性光学研究中，在本征石墨烯能带中，费米能级位于狄拉克点，对石墨烯外加电压，石墨烯中的载流子浓度会发生改变，从而会使石墨烯的费米能级发生移动，因此，石墨烯对光的吸收率可以通过外加在石墨烯上的电压来调控。现有技术中尚未出现稳定性好的基于主动调制方式的双波长同步脉冲激光器，更没有出现基于石墨烯电光调制的双波长同步调Q光纤激光器，本发明基于此提出。
发明内容
本发明提出了一种基于石墨烯电光调制的双波长同步调Q光纤激光器，通过将两个独立的光纤激光腔与一个空间光调制腔波分复用耦合成两个线型激光腔，通过两个光纤激光腔提供双波长光纤激光，通过空间光调制腔对双波长光纤激光进行基于石墨烯的电光调制，通过两个线型激光腔为调制后的双波长脉冲激光提供振荡增益腔，最终通过周期性电压信号调制石墨烯的光学吸收实现了重复频率可控、工作带宽宽的微秒量级双波长脉冲激光同步输出，具有广阔应用前景。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
一种基于石墨烯电光调制的双波长同步调Q光纤激光器，包括：第一光纤激光腔、第二光纤激光腔和空间光调制腔，所述第一光纤激光腔产生第一波长激光，且所述第一光纤激光腔与所述空间光调制腔光学耦合形成第一线型激光腔，所述第二光纤激光腔产生第二波长激光，且所述第二光纤激光腔与所述空间光调制腔光学耦合形成第二线型激光腔；所述空间光调制腔中设置有石墨烯电光调制器，并对第一波长激光和第二波长激光进行同步电光调制；所述第一线型激光腔作为电光调制后第一波长激光的振荡激光腔，所述第二线型激光腔作为电光调制后第二波长激光的振荡激光腔。
进一步的根据本发明所述的双波长同步调Q光纤激光器，其中所述第一光纤激光腔和第二光纤激光腔通过双波长波分复用器耦合于所述空间光调制腔，所述双波长波分复用器的第一分波端口光学耦合于所述第一光纤激光腔，所述双波长波分复用器的第二分波端口光学耦合于所述第二光纤激光腔，所述双波长波分复用器的公共合波端口光学耦合于所述空间光调制腔。
进一步的根据本发明所述的双波长同步调Q光纤激光器，其中所述空间光调制腔包括光纤准直透镜12、空间聚焦透镜13、空间端面全反射镜15和所述石墨烯电光调制器14，所述空间聚焦透镜13设置于所述光纤准直透镜12的正后方，所述空间端面全反射镜15设置于所述空间聚焦透镜13的后焦点位置，所述石墨烯电光调制器14设置于所述光纤准直透镜12和空间聚焦透镜13之间或者设置于所述空间聚焦透镜13和空间端面全反射镜15之间；所述双波长波分复用器的公共合波端口耦合连接于第一传输光纤的一端，所述第一传输光纤的另一端位于所述光纤准直透镜12的前焦点位置。
进一步的根据本发明所述的双波长同步调Q光纤激光器，其中所述第一光纤激光腔包括第一泵浦源1、第一波分复用器2、第一有源光纤3、第一偏振控制器4和第一输出耦合器5，所述第一波分复用器2包括三个端口，所述第一泵浦源1连接于所述第一波分复用器2的第一端口，所述第一波分复用器2的第二端口连接于所述第一有源光纤3的一端，所述第一有源光纤3的另一端连接于所述第一偏振控制器4的一端，所述第一偏振控制器4的另一端连接于所述第一输出耦合器5；所述第一泵浦源1提供的泵浦光通过所述第一波分复用器2耦合至所述第一有源光纤3，并通过激发所述第一有源光纤3产生第一波长激光，所述第一偏振控制器4为第一波长激光提供偏振控制，所述第一输出耦合器5为第一波长激光提供耦合输出和振荡反馈。
进一步的根据本发明所述的双波长同步调Q光纤激光器，其中所述第一波分复用器2的第一端口为第一泵浦源1提供的泵浦光的单向输入端口，所述第一波分复用器2的第二端口和第三端口为第一有源光纤3提供的第一波长激光的双向传输端口；所述第一输出耦合器5为具有四个端口的光纤输出耦合器，其中第一端口耦合连接于所述第一偏振控制器4的另一端，第四端口提供预定功率比例的激光耦合输出，第二端口和第三端口对接形成全反射光纤结构；所述双波长波分复用器的第一分波端口通过第二传输光纤耦合连接于所述第一波分复用器2的第三端口。
进一步的根据本发明所述的双波长同步调Q光纤激光器，其中所述第二光纤激光腔包括第二泵浦源6、第二波分复用器7、第二有源光纤8、第二偏振控制器9和第二输出耦合器10，所述第二波分复用器7包括三个端口，所述第二泵浦源6连接于所述第二波分复用器7的第一端口，所述第二波分复用器7的第二端口连接于所述第二有源光纤8的一端，所述第二有源光纤8的另一端连接于所述第二偏振控制器9的一端，所述第二偏振控制器9的另一端连接于所述第二输出耦合器10；所述第二泵浦源6提供的泵浦光通过所述第二波分复用器7耦合至所述第二有源光纤8，并通过激发所述第二有源光纤8产生第二波长激光，所述第二偏振控制器9为第二波长激光提供偏振控制，所述第二输出耦合器10为第二波长激光提供耦合输出和振荡反馈。
进一步的根据本发明所述的双波长同步调Q光纤激光器，其中所述第二波分复用器7的第一端口为第二泵浦源6提供的泵浦光的单向输入端口，所述第二波分复用器7的第二端口和第三端口为第二有源光纤8提供的第二波长激光的双向传输端口；所述第二输出耦合器10为具有四个端口的光纤输出耦合器，其中第一端口耦合连接于所述第二偏振控制器9的另一端，第四端口提供预定功率比例的激光耦合输出，第二端口和第三端口对接形成全反射光纤结构；所述双波长波分复用器的第二分波端口通过第三传输光纤耦合连接于所述第二波分复用器7的第三端口。
进一步的根据本发明所述的双波长同步调Q光纤激光器，其中所述石墨烯电光调制器包括光学衬底21、下层石墨烯22、底层金属电极23、绝缘层24、上层石墨烯25和顶层金属电极26，所述下层石墨烯22形成于所述光学衬底21上，所述底层金属电极23按照预定的电极图案形成于所述下层石墨烯22上，所述绝缘层24处于所述下层石墨烯22和上层石墨烯25之间，所述上层石墨烯25形成于所述绝缘层24之上，所述顶层金属电极26按照预定的电极图案形成于所述上层石墨烯25上，所述底层金属电极23电性接触所述下层石墨烯22，所述顶层金属电极26电性接触所述上层石墨烯25，且所述底层金属电极23的正上方无上层石墨烯25，所述顶层金属电极26的正下方无下层石墨烯22。
进一步的根据本发明所述的双波长同步调Q光纤激光器，其中所述第一泵浦源1、第一波分复用器2、第一有源光纤3、第一偏振控制器4、第一输出耦合器5、第二泵浦源6、第二波分复用器7、第二有源光纤8、第二偏振控制器9、第二输出耦合器10以及双波长波分复用器均为偏振无关光纤器件。
进一步的根据本发明所述的双波长同步调Q光纤激光器，其中所述第一泵浦源1为波长980nm的激光二极管，所述第一波分复用器2为980/1550nm波分复用器，所述第一有源光纤3为长度1.0m的掺铒光纤，所述第一输出耦合器5提供10％的激光耦合输出，所述第一光纤激光腔产生波长在1.5μm附近的第一波长激光；第二泵浦源6为波长1570nm的泵浦激光器，所述第二波分复用器7为1570/2000nm波分复用器，所述第二有源光纤为长度2m的铥钬共掺光纤，第二输出耦合器10提供10％的激光耦合输出，所述第二光纤激光腔产生波长在1.9μm附近的第二波长激光；所述双波长波分复用器为1550/2000nm波分复用器。
与传统技术相比，本发明具有以下突出优点和技术特色：
(1)本发明创新的将石墨烯电光调制器用于光纤激光器中，由于石墨烯材料具有超宽的光学响应波长范围、超快的载流子弛豫速率、可控的调制深度，从而能够实现高稳定性、脉冲重复频率可控、脉冲宽度可调谐的主动调Q双波长脉冲激光的同步输出。
(2)本发明所述光纤激光器创新了光纤激光腔形结构，首创的将两个独立的光纤激光腔与一个空间光调制腔波分复用耦合成两个线型激光腔，通过两个光纤激光腔提供双波长光纤激光，通过空间光调制腔对双波长光纤激光进行基于石墨烯的电光调制，通过两个线型激光腔为调制后的双波长脉冲激光提供振荡增益腔，最终实现了双波长同步调Q激光输出，其中的双波长为1-2μm波段范围内的任意的两个波长，优选的可以是1.5微米和1.9微米附近(±100nm)的红外双波长脉冲激光，且两个波长的调Q脉冲激光能够实现同步输出，至少能够在超过10kHz的调制频率宽度范围内实现同步输出，解决了光纤激光器中双波长同步脉冲输出问题。
(3)本发明所述基于石墨烯电光调制的双波长同步调Q光纤激光器，光纤激光器与石墨烯电光调制器的耦合方式为空间耦合，入射激光从与调制器电极平面垂直的法线方向入射，在一次光路往返过程中激光两次通过石墨烯电光调制器，提高了调制效率，且使用的空间端面全反射镜为镀金或镀银的平面镜，保证了激光腔的振荡增益。且基于石墨烯的这种电光调制效应，将其以空间光耦合方式集成于光纤激光器中，采用主动方式，通过双波长同步调Q运转，可同时输出两种同频率的脉冲、其脉冲重复频率可控、工作带宽宽、稳定性好、结构紧凑且电光调制器成本低廉，是一种具有广阔应用前景的双波长同步调Q激光器。
附图说明
图1是本发明所述双波长同步调Q光纤激光器中采用的石墨烯电光调制器的结构示意图。
图2是本发明所述基于石墨烯电光调制的双波长同步调Q光纤激光器的结构示意图；
图3是本发明实施例中1.5μm(a)和1.9μm(b)激光输出功率及调Q启动频率随泵浦功率的变化曲线；
图4是本发明实施例中双波长调Q脉冲序列与调制电压的时间同步结果；
图5是本发明实施例中双波长调Q脉冲的输出光谱图；
图6是本发明实施例中1.5μm(a)和1.9μm(b)脉冲能量和脉冲宽度随调制频率的变化曲线；
图7是本发明实施例中双波长调Q脉冲的输出频谱图。
图中各附图标记的含义如下：
1-第一泵浦源、2-第一波分复用器、3-第一有源光纤、4-第一偏振控制器、5-第一输出耦合器、6-第二泵浦源、7-第二波分复用器、8-第二有源光纤、9-第二偏振控制器、10-第二输出耦合器、11-第三波分复用器、12-光纤准直透镜、13-空间聚焦透镜、14-石墨烯电光调制器、15-空间端面全反射镜；
21-光学衬底、22-下层石墨烯、23-底层金属电极、24-绝缘层、25-上层石墨烯、26-顶层金属电极。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。
本发明创新的提出一种基于石墨烯电光调制的双波长同步调Q光纤激光器，创新的设计了双波长同步调Q光纤激光器的腔形结构，并首创的在其中集成了石墨烯电光调制器。下面首先简要说明本发明所述双波长同步调Q光纤激光器中使用的石墨烯电光调制器。
本发明中所用的石墨烯电光调制器属于申请人自主发明的电光调制器，采用石英玻璃作为基底转移下层石墨烯，在下层石墨烯表面采用原子层沉积法生长高介电常数的电介质层作为绝缘层，在绝缘层表面转移上层石墨烯，上下两个单层石墨烯平行放置构成电容器结构，在两层石墨烯表面边缘蒸镀金属电极作为两个电压控制端，具体的如附图1所示，所述的石墨烯电光调制器包括光学衬底21、下层石墨烯22、底层金属电极23、绝缘层24、上层石墨烯25和顶层金属电极26，其中下层石墨烯22形成于光学衬底21上，底层金属电极23按照预定的电极图案形成于下层石墨烯22上，绝缘层24处于下层石墨烯22和上层石墨烯25之间，将下层石墨烯22和上层石墨烯25绝缘间隔，上层石墨烯25形成于绝缘层24之上，顶层金属电极26按照预定的电极图案形成于上层石墨烯25上，底层金属电极23电性接触下层石墨烯22，顶层金属电极26电性接触上层石墨烯25。同时确保底层金属电极23的正上方无上层石墨烯25、顶层金属电极26的正下方无下层石墨烯22，以减少寄生电容，并且分别引出两个电极时不会使上下两层石墨烯导通，上层石墨烯25和下层石墨烯22除电极形成部位之外上下平行正对设置，整个石墨烯电光调制器形成为平板电容型结构，上下石墨烯层分别组成电光调制器的正负极，之间由绝缘层隔开形成电容器。这样当外加周期性电压作用于金属电极时，在上下两层石墨烯之间形成电场，从而引入石墨烯中电子/空穴掺杂变化，这种载流子掺杂浓度的变化将导致石墨烯能带中费米能级的移动，当费米能级与狄拉克点之间的能隙大于入射光子能量的一半时，石墨烯的光学吸收为零，因此石墨烯对光的吸收率可以通过外加在石墨烯上的电压来调控，从而所述石墨烯电光调制器在外加调制电压信号下可以实现对入射光信号的吸收调制。
本发明提出的上述石墨烯电光调制器基于平板电容型结构，优选的使用插入损耗较小的石英玻璃作为光学衬底，上下石墨烯层优选的均为单层石墨烯薄膜，工艺方面优选的下层石墨烯直接转移到石英玻璃衬底上，再通过原子层沉积法生长纳米量级厚度的绝缘层，绝缘层的绝缘介质优选的可采用氧化铝、五氧化二铊、氧化铪等不同介电常数的化合物，同时上层石墨烯也已转移方式转移到绝缘层上，并与下层石墨烯形成双极性平板电容结构，在各石墨烯层上分别沉积金属电极实现偏压控制，被调制激光以垂直于上下石墨烯原子层的方式入射，本发明以这种石墨烯主动电光调制器为基础，构建一种双波长调Q脉冲同步输出、脉冲重复频率可控、宽工作波长、稳定性良好、结构紧凑且电光调制器件成本低廉的光纤激光器，下面具体描述本发明构建的这种光纤激光器的结构及其工作过程。
如附图2所示的，本发明所述的基于石墨烯电光调制的双波长同步调Q光纤激光器包括第一泵浦源1、第一波分复用器2、第一有源光纤3、第一偏振控制器4、第一输出耦合器5、第二泵浦源6、第二波分复用器7、第二有源光纤8、第二偏振控制器9、第二输出耦合器10、第三波分复用器11、光纤准直透镜12、空间聚焦透镜13、石墨烯电光调制器14和空间端面全反射镜15。所使用的第一泵浦源1、第一波分复用器2、第一有源光纤3、第一偏振控制器4、第一输出耦合器5、第二泵浦源6、第二波分复用器7、第二有源光纤8、第二偏振控制器9、第二输出耦合器10以及第三波分复用器11均为偏振无关光纤器件。所述第一泵浦源1用于提供第一泵浦波长，所述第一泵浦波长对应于第一有源光纤3的激发波长，所述第一泵浦源1连接于第一波分复用器2的泵浦输入端，所述第一波分复用器2包括三个端口，第一端口为泵浦输入端，是一个单向输入端口，第二端口和第三端口均为双向的输出输入端口，至少是对激光振荡波长的透明传输端口，经第一端口输入的泵浦光由第二端口输出，经第二端口输入的振荡激光由第三端口输出，经第三端口输入的振荡激光由第二端口输出。所述第一波分复用器2的第二端口耦合连接于第一有源光纤3的一端，所述第一有源光纤3优选的为掺铒光纤，能够在泵浦激发下能够提供1550nm波长的激发光。所述第一有源光纤3的另一端与第一偏振控制器4的一端连接，所述第一偏振控制器4的另一端与第一输出耦合器5连接，所述第一输出耦合器同时提供振荡激光的耦合输出和振荡反馈，耦合输出率优选的为10％，即通过所述第一输出耦合器能够将震荡激光的10％耦合输出、并将剩余的90％反馈回激光振荡腔内。优选的所述第一输出耦合器为具有四个端口的光纤输出耦合器，其中的第一端口能够提供90％的激光振荡反馈，第四端口能够提供10％功率的光束耦合输出，第二端口和第三端口对接形成光束全反光纤结构。所述第一偏振控制器4的另一端与第一输出耦合器的第一端口(90％反馈端)连接，第一输出耦合器的第四端口(10％输出端)用于提供10％的激光功率输出，从而经第一端口进入的振荡激光经第二端口输出、并经第三端口反馈输入(全反过程)，然后90％的光束经第一端口再返回有源光纤、10％的光束经第四端口耦合输出。同理所述第二泵浦源7用于提供第二泵浦波长，所述第二泵浦波长对应于第二有源光纤8的激发波长，所述第二泵浦源1连接于第二波分复用器7的泵浦输入端，所述第二波分复用器7同第一波分复用器一样也包括三个端口，第一端口为单向的泵浦输入端，第二端口和第三端口均为双向的输出输入端口，至少是对激光振荡波长的透明传输端口，经第一端口输入的泵浦光由第二端口输出，经第二端口输入的振荡激光由第三端口输出，经第三端口输入的振荡激光由第二端口输出。所述第二波分复用器7的第二端口耦合连接于第二有源光纤8的一端，所述第二有源光纤8优选的为铥钬共掺光纤，能够在泵浦激发下能够提供2000nm波长的激发光。所述第二有源光纤8的另一端与第二偏振控制器9的一端连接，所述第二偏振控制器9的另一端与第二输出耦合器10连接，所述第二输出耦合器同第一输出耦合器一样能够同时提供振荡激光的耦合输出和振荡反馈，耦合输出率优选的为10％，即通过所述第二输出耦合器能够将震荡激光的10％耦合输出、并将剩余的90％反馈回激光振荡腔内。优选的所述第二输出耦合器同第一输出耦合器一样为具有四个端口的光纤输出耦合器，其中的第一端口能够提供90％的激光振荡反馈，第四端口能够提供10％的光束耦合输出，第二端口和第三端口对接形成光束全反光纤结构。所述第二偏振控制器9的另一端与第二输出耦合器的第一端口(90％反馈端)连接，第二输出耦合器的第四端口(10％输出端)用于提供10％的激光输出，从而经第一端口进入的振荡激光经对接的第二端口和第三端口进行全反后，90％的光束经第一端口再返回有源光纤、10％的光束经第四端口耦合输出。所述第一波分复用器2的第三端口通过第二传输光纤连接于所述第三波分复用器11的第一端口，所述第二波分复用器7的第三端口通过第三传输光纤连接于所述第三波分复用器11的第二端口，所述第三波分复用器11包括三个端口，除所述第一端口和第二端口外还包括第三端口(公共端)，其中第三端口作为合波端口，第一端口和第二端口为分波端口，经第一端口和第二端口输入的双波长激光束经第三波分复用器后由第三端口汇合至一根光纤中传输，经第三端口输入的双波长激光束经第三波分复用器后会被分离出两个独立波长的激光束并分别经第一端口和第二端口输出，这利用了波分复用器的波分复用功能。所述第三波分复用器11的第三端口连接于第一传输光纤的输入端，所述第一传输光纤的输出端位于光纤准直透镜12的前方焦点位置，所述空间聚焦透镜13设置于所述光纤准直透镜12的正后方，所述空间聚焦透镜13的后面插入有石墨烯电光调制器14，所述石墨烯电光调制器14后面光路汇聚点处放置有所述端面全反射镜15，具体的所述端面全反射镜15位于所述空间聚焦透镜13的后方焦点处，所述石墨烯电光调制器14处于所述空间聚焦透镜13和端面全反射镜15之间，在本发明的其他优选实施方式中，所述石墨烯电光调制器14亦可设置于所述空间聚焦透镜13和光纤准直透镜12之间，所述端面全反射镜15用于将出射激光反射回两个光纤腔，所述端面反射镜15为镀有金属薄膜的全反射镜，全反射波长为产生于第一有源光纤的第一激光波长和产生于第二有源光纤的第二激光波长。所述石墨烯电光调制器14如前述附图1所示平板电容型结构，激光以垂直于石墨烯平面的法线方向入射。所述空间聚焦透镜13和光纤准直透镜12组成聚焦耦合系统，所述石墨烯电光调制器14、聚焦耦合系统和端面全反射镜15共同构成本发明所述光纤激光器的调Q单元。所述石墨烯电光调制器14采用空间耦合方式耦合连接于光纤激光腔，激光以垂直于石墨烯平面的法线方向入射，实现与调制器的耦合，有效降低了插入损耗，保证了较低阈值下的脉冲激光输出。
由所述第一泵浦源1、第一波分复用器2、第一有源光纤3、第一偏振控制器4和第一输出耦合器5组成第一光纤激光腔，来自第一泵浦源1的泵浦激光经第一波分复用器2耦合进入第一光纤激光腔内，并对第一有源光纤3进行泵浦激励，并产生对应于第一有源光纤激活粒子辐射波长的第一波长激光，产生的第一波长激光经第一偏振控制器提供必要的激光震荡偏振控制后，由第一输出耦合器5提供光学反馈和耦合输出，从而在第一光纤激光腔中产生第一波长光纤激光。
由所述第二泵浦源6、第二波分复用器7、第二有源光纤8、第二偏振控制器9和第二输出耦合器10组成第二光纤激光腔，来自第二泵浦源6的泵浦激光经第二波分复用器7耦合进入第二光纤激光腔内，并对第二有源光纤8进行泵浦激励，并产生对应于第二有源光纤激活粒子辐射波长的第二波长激光，产生的第二波长激光经第二偏振控制器9提供必要的激光震荡偏振控制后，由第二输出耦合器10提供光学反馈和耦合输出，从而在第二光纤激光腔中产生第二波长光纤激光。
由所述光纤准直透镜12、空间聚焦透镜13、石墨烯电光调制器14和空间端面全反射镜15组成空间光调制腔，具体的所述光纤准直透镜12和空间聚焦透镜13形成准直聚焦单元，空间聚焦透镜13设置于光纤准直透镜12的正后方，空间端面全反射镜15设置于空间聚焦透镜13后方的焦点位置，石墨烯电光调制器14设置于空间端面全反射镜15和空间聚焦透镜13之间，或者石墨烯电光调制器14设置于光纤准直透镜12和空间聚焦透镜13之间，来自光纤准直透镜12前方焦点的空间光束经过光纤准直透镜12后变成平行光束，在经过空间聚焦透镜13后聚焦于空间端面全反射镜15上，被其反射后原路返回，空间光束在经过石墨烯电光调制器14后基本沿石墨烯层法线方向入射，实现了空间光的高效电光调制。所述石墨烯电光调制器14为电压驱动调节正负极板上的石墨烯载流子掺杂浓度进行的光强度调制，周期性电压信号为正弦波或矩形波电压信号。
所述第一光纤激光腔和所述空间光调制腔通过第三波分复用器11连接组成第一线型激光腔，具体的第一光纤激光腔的第一波分复用器2的第三端口通过第二传输光纤连接于第三波分复用器11的第一端口，第三波分复用器11的第三端口通过第一传输光纤连接于空间光调制腔中光纤准直透镜12的前方焦点，在所述第一线型激光腔中实现第一波长激光的光学振荡和电光调Q，具体的第一光纤激光腔中产生的第一波长激光由第一输出耦合器5提供光学反馈后，再依次经第一偏振控制器、第一有源光纤3、第一波分复用器2、第三波分复用器11、光纤准直透镜12、空间聚焦透镜13和石墨烯电光调制器14后到达空间端面全反射镜15，再次被空间端面全反射镜15进行全反射后依原光路返回至第一输出耦合器5，从而由第一输出耦合器5和空间端面全反射镜15形成第一线型激光腔的前后腔镜，第一波长激光在其间往复振荡，同时在振荡过程中通过石墨烯电光调制器14提供基于石墨烯的电光调Q控制，最后通过第一输出耦合器5的耦合输出端实现第一波长调Q激光耦合输出。
所述第二光纤激光腔和所述空间光调制腔通过第三波分复用器11连接组成第二线型激光腔，具体的第二光纤激光腔的第二波分复用器7的第三端口通过第三传输光纤连接于第三波分复用器11的第二端口，第三波分复用器11的第三端口通过第一传输光纤连接于空间光调制腔中光纤准直透镜12的前方焦点，在所述第二线型激光腔中实现第二波长激光的光学振荡和电光调Q，具体的第二光纤激光腔中产生的第二波长激光由第二输出耦合器10提供光学反馈后，再依次经第二偏振控制器9、第二有源光纤8、第二波分复用器7、第三波分复用器11、光纤准直透镜12、空间聚焦透镜13和石墨烯电光调制器14后到达空间端面全反射镜15，再次被空间端面全反射镜15进行全反射后依原光路返回至第二输出耦合器10，从而由第二输出耦合器10和空间端面全反射镜15形成第二线型激光腔的前后腔镜，第二波长激光在其间往复振荡，同时在振荡过程中通过石墨烯电光调制器14提供基于石墨烯的电光调Q控制，最后通过第二输出耦合器10的耦合输出端实现第一波长调Q激光耦合输出。
本发明中的第一线型激光腔提供基于第一有源光纤激发产生的第一波长激光的振荡激光腔，同时第二线型激光腔提供基于第二有源光纤激发产生的第二波长激光的振荡激光腔，第一线型激光腔和第二线型激光腔共用同一空间光调制腔，来自第一光纤激光腔和第二光纤激光腔的不同波长激光通过第三波分复用器合波后进入同一空间光调制腔内进行空间光的电光调制，调制后的空间光再经第三波分复用器分波后再分别耦合进入各自对应的光纤激光腔内。所述的空间光调制腔作为空间光路部分来提供调Q功能，并使光纤激光腔与石墨烯电光调制器通过空间方式耦合，即来自第一光纤激光腔和第二光纤激光腔的光纤激光在空间光调制腔内转换为空间光，该空间光经过光纤准直透镜和空间聚焦透镜后聚焦到石墨烯电光调制器，经石墨烯电光调制器电光调制后再被空间端面全反射镜反射后沿原光路返回各自对应的光纤激光腔中形成整个激光振荡光路，从而两个线型激光腔能够提供双波长激光的同步振荡和调Q控制，振荡激光分别经各自激光腔的输出耦合器输出，实现了基于石墨烯电光调制的双波长同步调Q光纤激光输出，同时通过将光纤激光转换在空间光调制腔中进行调制，使得入射激光能从与调制器电极平面垂直的法线方向入射，且在一次光路往返过程中激光两次通过石墨烯电光调制器，实现了对光纤激光的高效电光调制。
本发明所述基于石墨烯电光调制的双波长同步调Q光纤激光器的主要技术优势和特点至少包括：
(1)本发明首创的将两个光纤激光腔与一个空间光调制腔进行耦合连接，两个光纤激光腔提供两个激光波长，且两个光纤激光腔中被各自输出耦合器反射回的两个波长激光通过同一波分复用器成为空间光，空间光再经过光纤准直透镜)和空间聚焦透镜后聚焦到石墨烯电光调制器上，最后再次被空间端面全反射镜反射后沿原光路返回两个光纤激光腔中形成整个激光光路。
(2)本发明所述光纤激光器创新了光纤激光腔形结构，首创的将两个独立的光纤激光腔与一个空间光调制腔波分复用耦合成两个线型激光腔，通过两个光纤激光腔提供双波长光纤激光，通过空间光调制腔对双波长光纤激光进行基于石墨烯的电光调制，通过两个线型激光腔为调制后的双波长脉冲激光提供振荡增益腔，最终实现了双波长同步调Q激光输出，其中的双波长为1-2μm波段范围内的任意的两个波长，优选的可以是1.5微米和1.9微米附近(±100nm)的红外双波长脉冲激光，且两个波长的调Q脉冲激光能够实现同步输出，至少能够在超过10kHz的调制频率宽度范围内实现同步输出。
(3)本发明创新的在双波长同步调Q光纤激光器中引入石墨烯电光调制器，所述石墨烯电光调制器为平板电极型结构，石墨烯为两层或多层结构并分别组成电光调制器的正负极，其中采用的基底为石英玻璃，绝缘介电层材料为二氧化铪、氧化铝或五氧化二铊，生长方式为原子层沉积法。
(4)本发明所述基于石墨烯电光调制的双波长同步调Q光纤激光器，光纤激光器与石墨烯电光调制器的耦合方式为空间耦合，入射激光从与调制器电极平面垂直的法线方向入射，在一次光路往返过程中激光两次通过石墨烯电光调制器，提高了调制效率，且使用的空间端面全反射镜为镀金或镀银的平面镜，保证了激光腔的振荡增益。
下面给出本发明的具体实施例。
实施例
本发明实施例所述的基于石墨烯电光调制的1.5μm/1.9μm双波长同步调Q光纤激光器的光路结构如图2所示，第一泵浦源1为波长为980nm的激光二极管，所述激光二极管1与第一波分复用器2的泵浦输入端连接，所述第一波分复用器2为980/1550nm波分复用器，即第一端口是980nm波段附近的光束输入端口，第二端口和第三端口是1550nm波段附近的光束传输端口，980/1550nm波分复用器的输出端(第二端口)与第一有源光纤的一端连接，所述第一有源光纤3为长度为1.0m的掺铒光纤，掺铒光纤的另一端与第一偏振控制器4的一端连接，第一偏振控制器4的另一端与第一输出耦合器5的输入端连接，第一输出耦合器5把90％的光反馈回腔内，把10％的光耦合输出，本实施例中980nm泵浦激光被掺铒光纤吸收后受激产生1.5μm附近的光纤激光，因此所述第一泵浦源1、第一波分复用器2、第一有源光纤3、第一偏振控制器4和第一输出耦合器5组成1.5μm的激光子腔即第一光纤激光腔。第二泵浦源6为波长为1570nm的泵浦激光器，所述泵浦激光器与第二波分复用器7的泵浦输入端连接，所述第二波分复用器7为1570/2000nm波分复用器，即第一端口是1570nm波段附近的光束输入端口，第二端口和第三端口是2000nm波段附近的光束传输端口，1570/2000nm波分复用器的输出端与与第二有源光纤的一端连接，所述第二有源光纤为2m的铥钬共掺光纤，铥钬共掺光纤的另一端与第二偏振控制器的一端连接，第二偏振控制器9的另一端与第二输出耦合器10的输入端连接，第二输出耦合器10把90％的光反馈回腔内，10％的光耦合输出，本实施例中1570nm泵浦激光被铥钬共掺光纤吸收后受激产生1.9μm附近的光纤激光，因此所述第二泵浦源6、第二波分复用器7、第二有源光纤8、第二偏振控制器9和第二输出耦合器10组成1.9μm的激光子腔即第二光纤激光腔。两个激光子腔分别与第三波分复用器连接，所述第三波分复用器为1550/2000nm波分复用器，第一端口分波波长为1550nm附近、第二端口分波波长为2000nm附近，1550/2000nm波分复用器的公共端与光纤准直透镜12连接，光纤准直透镜12后面放置空间聚焦透镜13，空间聚焦透镜13后面插入石墨烯电光调制器14，石墨烯电光调制器14后面光路汇聚点处放置端面全反射镜15将出射激光反射回两个光纤激光腔。石墨烯电光调制器14采用平板电容型结构，激光以垂直于石墨烯平面的法线方向入射，端面反射镜15为镀有金属薄膜的全反射镜。
如图3-6给出本实施例所述双波长同步调Q光纤激光器的基本特性曲线，首先为了确认本发明中腔内光强不会使石墨烯层发生饱和，在没有外加电压的条件下，测量了1.5μm和1.9μm连续激光随泵浦功率的变化曲线，其转换效率分别为13.75％和3.5％，同时在外加电压条件下，测量了两个波长调Q脉冲的启动频率随泵浦功率的变化曲线，随着泵浦功率的增加，启动频率也相应增加，调Q脉冲的产生依赖于泵浦功率，当泵浦功率达到某一数值时，两个波长的调Q脉冲实现同步输出，如附图3所示；同时在本实例中，外加调制电压达到3.1V时，两个波长的调Q脉冲同步输出，重复频率范围从46kHz到56kHz，图4所示为调制频率为46kHz时，方波电压信号以及同步输出的1.5μm和1.9μm调Q脉冲序列，脉冲宽度分别为7.4μs和9.6μs；图5(a)和(b)描述的是同步调Q脉冲两个波长的光谱图，中心波长分别为1563.1nm和1900.8nm，其相应的半高宽分别为0.5nm和1.5nm；图6(a)和(b)分别显示了1.5μm和1.9μm脉冲能量和脉冲宽度随调制频率的变化，当外加电压为3.1V，泵浦功率分别为50.9mW(1.5μm)和393mW(1.9μm)，调制频率从46kHz增加到56kHz时，1.5μm调Q脉冲宽度从7.4μs增加到11.2μs，对应的脉冲能量从130.2nJ减少到107nJ，1.9μm调Q脉冲宽度从9.6μs增加到11.9μs，对应的脉冲能量从86.7nJ减少到71.2nJ；图7(a)和(b)所示为1.5μm和1.9μm调Q激光器的输出频谱图，从中可以看出调Q脉冲序列的重复频率为46kHz，频率信号的信噪比分别为48dB和38dB，说明激光器运转稳定。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯电光调制的双波长同步调Q光纤激光器，其特征在于，包括：第一光纤激光腔、第二光纤激光腔和空间光调制腔，所述第一光纤激光腔产生第一波长激光，且所述第一光纤激光腔与所述空间光调制腔光学耦合形成第一线型激光腔，所述第二光纤激光腔产生第二波长激光，且所述第二光纤激光腔与所述空间光调制腔光学耦合形成第二线型激光腔；所述空间光调制腔中设置有石墨烯电光调制器，并对第一波长激光和第二波长激光进行同步电光调制；所述第一线型激光腔作为电光调制后第一波长激光的振荡激光腔，所述第二线型激光腔作为电光调制后第二波长激光的振荡激光腔。
2.根据权利要求1所述的双波长同步调Q光纤激光器，其特征在于，所述第一光纤激光腔和第二光纤激光腔通过双波长波分复用器耦合于所述空间光调制腔，所述双波长波分复用器的第一分波端口光学耦合于所述第一光纤激光腔，所述双波长波分复用器的第二分波端口光学耦合于所述第二光纤激光腔，所述双波长波分复用器的公共合波端口光学耦合于所述空间光调制腔。
3.根据权利要求2所述的双波长同步调Q光纤激光器，其特征在于，所述空间光调制腔包括光纤准直透镜(12)、空间聚焦透镜(13)、空间端面全反射镜(15)和所述石墨烯电光调制器(14)，所述空间聚焦透镜(13)设置于所述光纤准直透镜(12)的正后方，所述空间端面全反射镜(15)设置于所述空间聚焦透镜(13)的后焦点位置，所述石墨烯电光调制器(14)设置于所述光纤准直透镜(12)和空间聚焦透镜(13)之间或者设置于所述空间聚焦透镜(13)和空间端面全反射镜(15)之间；所述双波长波分复用器的公共合波端口耦合连接于第一传输光纤的一端，所述第一传输光纤的另一端位于所述光纤准直透镜(12)的前焦点位置。
4.根据权利要求3所述的双波长同步调Q光纤激光器，其特征在于，所述第一光纤激光腔包括第一泵浦源(1)、第一波分复用器(2)、第一有源光纤(3)、第一偏振控制器(4)和第一输出耦合器(5)，所述第一波分复用器(2)包括三个端口，所述第一泵浦源(1)连接于所述第一波分复用器(2)的第一端口，所述第一波分复用器(2)的第二端口连接于所述第一有源光纤(3)的一端，所述第一有源光纤(3)的另一端连接于所述第一偏振控制器(4)的一端，所述第一偏振控制器(4)的另一端连接于所述第一输出耦合器(5)；所述第一泵浦源(1)提供的泵浦光通过所述第一波分复用器(2)耦合至所述第一有源光纤(3)，并通过激发所述第一有源光纤(3)产生第一波长激光，所述第一偏振控制器(4)为第一波长激光提供偏振控制，所述第一输出耦合器(5)为第一波长激光提供耦合输出和振荡反馈。
5.根据权利要求4所述的双波长同步调Q光纤激光器，其特征在于，所述第一波分复用器(2)的第一端口为第一泵浦源(1)提供的泵浦光的单向输入端口，所述第一波分复用器(2)的第二端口和第三端口为第一有源光纤(3)提供的第一波长激光的双向传输端口；所述第一输出耦合器(5)为具有四个端口的光纤输出耦合器，其中第一端口耦合连接于所述第一偏振控制器(4)的另一端，第四端口提供预定功率比例的激光耦合输出，第二端口和第三端口对接形成全反射光纤结构；所述双波长波分复用器的第一分波端口通过第二传输光纤耦合连接于所述第一波分复用器(2)的第三端口。
6.根据权利要求3-5任一项所述的双波长同步调Q光纤激光器，其特征在于，所述第二光纤激光腔包括第二泵浦源(6)、第二波分复用器(7)、第二有源光纤(8)、第二偏振控制器(9)和第二输出耦合器(10)，所述第二波分复用器(7)包括三个端口，所述第二泵浦源(6)连接于所述第二波分复用器(7)的第一端口，所述第二波分复用器(7)的第二端口连接于所述第二有源光纤(8)的一端，所述第二有源光纤(8)的另一端连接于所述第二偏振控制器(9)的一端，所述第二偏振控制器(9)的另一端连接于所述第二输出耦合器(10)；所述第二泵浦源(6)提供的泵浦光通过所述第二波分复用器(7)耦合至所述第二有源光纤(8)，并通过激发所述第二有源光纤(8)产生第二波长激光，所述第二偏振控制器(9)为第二波长激光提供偏振控制，所述第二输出耦合器(10)为第二波长激光提供耦合输出和振荡反馈。
7.根据权利要求6所述的双波长同步调Q光纤激光器，其特征在于，所述第二波分复用器(7)的第一端口为第二泵浦源(6)提供的泵浦光的单向输入端口，所述第二波分复用器(7)的第二端口和第三端口为第二有源光纤(8)提供的第二波长激光的双向传输端口；所述第二输出耦合器(10)为具有四个端口的光纤输出耦合器，其中第一端口耦合连接于所述第二偏振控制器(9)的另一端，第四端口提供预定功率比例的激光耦合输出，第二端口和第三端口对接形成全反射光纤结构；所述双波长波分复用器的第二分波端口通过第三传输光纤耦合连接于所述第二波分复用器(7)的第三端口。
8.根据权利要求1-7任一项所述的双波长同步调Q光纤激光器，其特征在于，所述石墨烯电光调制器包括光学衬底(21)、下层石墨烯(22)、底层金属电极(23)、绝缘层(24)、上层石墨烯(25)和顶层金属电极(26)，所述下层石墨烯(22)形成于所述光学衬底(21)上，所述底层金属电极(23)按照预定的电极图案形成于所述下层石墨烯(22)上，所述绝缘层(24)处于所述下层石墨烯(22)和上层石墨烯(25)之间，所述上层石墨烯(25)形成于所述绝缘层(24)之上，所述顶层金属电极(26)按照预定的电极图案形成于所述上层石墨烯(25)上，所述底层金属电极(23)电性接触所述下层石墨烯(22)，所述顶层金属电极(26)电性接触所述上层石墨烯(25)，且所述底层金属电极(23)的正上方无上层石墨烯(25)，所述顶层金属电极(26)的正下方无下层石墨烯(22)。
9.根据权利要求1-8任一项所述的双波长同步调Q光纤激光器，其特征在于，所述第一泵浦源(1)、第一波分复用器(2)、第一有源光纤(3)、第一偏振控制器(4)、第一输出耦合器(5)、第二泵浦源(6)、第二波分复用器(7)、第二有源光纤(8)、第二偏振控制器(9)、第二输出耦合器(10)以及双波长波分复用器均为偏振无关光纤器件。
10.根据权利要求4-7任一项所述的双波长同步调Q光纤激光器，其特征在于，所述第一泵浦源(1)为波长980nm的激光二极管，所述第一波分复用器(2)为980/1550nm波分复用器，所述第一有源光纤(3)为长度1.0m的掺铒光纤，所述第一输出耦合器(5)提供10％的激光耦合输出，所述第一光纤激光腔产生波长在1.5μm附近的第一波长激光；第二泵浦源(6)为波长1570nm的泵浦激光器，所述第二波分复用器(7)为1570/2000nm波分复用器，所述第二有源光纤为长度2m的铥钬共掺光纤，第二输出耦合器(10)提供10％的激光耦合输出，所述第二光纤激光腔产生波长在1.9μm附近的第二波长激光；所述双波长波分复用器为1550/2000nm波分复用器。
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