CN108879316A - 基于微纳光纤环与二硫化物锁模器的多波长锁模光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于微纳光纤环与二硫化物锁模器的多波长锁模光纤激光器，属于锁模光纤激光器技术领域。该发明由以下部分组成：1.二硫化钨材料的制备与表征。2.微纳光纤环的制备与光谱测试。3.二硫化钨转移至微纳光纤环的方法。4.光纤激光器的光路的构建。该发明结合了微纳光纤环与二硫化钨的综合性能与优势，实现了较为特殊的5、6、7波长脉冲输出。作为高功率多波长激光器的种子源，可用于通信、传感等诸多领域。

Description

基于微纳光纤环与二硫化物锁模器的多波长锁模光纤激光器

技术领域

本发明属于锁模光纤激光器技术领域，具体涉及基于微纳光纤环与二硫化物锁模器的多波长锁模光纤激光器。

背景技术

多波长锁模光纤激光器背景：光纤激光器的核心就是增益介质，通常使用掺杂稀元素的光纤，光纤激光器通过通过导入泵浦光进入增益光纤的纤芯形成高功率密度，形成粒子数反转，当形成谐振腔时，就能形成激光。自从20世纪60年代第一台光纤激光器问世以来，光纤激光器得到了长足的进步与发展，各种类型的光纤激光器也相继问世。在1963年，光纤激光器和光线放大器的构思第一次被提出，随后锁模光纤激光器就很快得到了全世界广大研究学者的关注。光纤激光器是由能够产生光子的增益介质使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光跃迁的泵浦源三部分组成。激光输出既可以是连续的，也可以使脉冲形式的，依赖于激光工作介质。对于连续光输出，激光能级上的自发发射寿命必须长于激光下能级来获得较高的粒子数反转。通常当激光下能级的寿命超过上能级时，就会获得脉冲输出。光纤激光器有两种激发状态，一种是三能级激发，另一种是四能级激发。两者还擦别在于较低能级所处的位置。在三能级系统下，激光下的能级即为基态，或者是极靠近基态的能级，而在四能级系统中，激光下能级和基态能级之间仍然存在一个跃迁，通常为无辐射跃迁。电子从基态提升到高于激光上能级的一个或者多个泵浦带，电子一般通过非辐射跃迁到达激光上能级。泵浦带上的电子造成电子书多余激光下能级，即形成粒子数反转。电子以辐射光子的形式放出能量回到基态。这种自发发射的光子被光学谐振腔反馈回增益介质中诱发受激辐射，产生与诱发这一过程的光子性质完全相同的光子。当光子在谐振腔中所获得的增益大于其在腔内的损耗时，就会产生激光输出。

激光介质本身就是导波介质,藕合效率高；光纤芯很细,纤内易形成高功率密度；可方便地与目前的光纤传输系统高效连接。由于光纤具有很高的“表面积/体积”比,散热效果好,因此这种光纤激光器具有很高的转换效率,很低的激光阔值,能在不加强制冷却的情况下连续工作。又由于光纤具有极好的柔绕性,激光器可以设计得相当小巧灵活,有利于在光纤通信和医学上的应用；同时,可借助光纤方向祸合器构成各种柔性谐振腔,使激光器的结构更加紧凑、稳定.光纤还具有相当多的可调参数和选择性,能获得相当宽的调谐范围和相当好的单色性和稳定性。这些特点决定了光纤激光器比半导体激光器和大型激光器拥有更多的优势。从效果上看,光纤激光器是一种高效的波长转换器,即由泵浦激光波长转换为所掺稀土离子的激射波长。正因为光纤激光器的激射波长是由基质材料的稀土掺杂剂所决定,不受泵浦波长的控制,所以可以利用与稀土离子吸收光谱相对应的廉价短波长、高功率半导体激光器泵浦,获得光纤通信低损耗窗口的1.3um和1.5um以及2一3um中红外波长的激光输出,泵浦效率很高。光纤激光器凭借其结构简单、制造成本低廉、易小型化等诸多优势在光通信、工业生产、生物医学等领域具有越来越重要的应用与地位。而作为光纤激光器中的重要分支，多波长光纤激光器是长距离大容量通信的光纤系统理想光源。多波长光纤激光器在波分复用、光学检测、光学传感等诸多领域具有越发重要的地位与应用。

作为实现被动锁模多波长孤子光纤激光器的核心器件之一，可饱和吸收体具有十分重要的地位。近年来，具有高非线性折射率、高调制深度、低饱和吸收阈值的二维材料，主要包括拓扑绝缘体和二硫化物成为了制备可饱和吸收体的宠儿。继碳纳米管、石墨烯、拓扑绝缘体等新型二维材料之后，二维硫化物尤其是二硫化钨，成为了光电新型材料的研究热点。二维硫化物作为一个拥有44种化合物的化合物大族，其通用的化学表达式写为MX₂(M＝S、Mo、V等；X＝S)。二维硫化物的晶格结构与石墨烯类似，作为其中的重要一员，二硫化钨的晶格结构由于层层之间结合很弱，因此很容易被机械剥离法、液相剥离法等方法剥离成单层结构。而这种单层结构，十分容易表现出特殊的光电特性。近年来，由于实验条件的不断完善，性能优秀的单层二维硫化物不断被制备出来。块状二硫化钨的带隙宽度为1.3eV，单层的带隙宽度为2.1eV。根据能带结构分析，二硫化钨不应该在1μm-2μm的波长范围内存在饱和吸收，因为块状和单层的二硫化钨对应的波长吸收应该在591nm到950nm范围内。然而近些年的研究和实验足以证明，二硫化钨在1μm-2μm波段内确实存在饱和吸收特性。

二硫化钨的可饱和吸收已经被近年来的许多实验和研究证实，二硫化钨的可饱和吸收特性主要原因就是带隙中存在缺陷态以及边缘态。当光子能量大于绝缘带隙值0.15eV时，可以激发电子在价带向相应的导带移动。在弱光下，吸收任何大于0.15eV的电子的光子，价电子可以被激发到导带。在密集光的照射下，由于泡利阻断原则，产生的载流子能防止进一步激发电子，导致光漂白效应的发生，这就是著名的饱和吸收。这个过程可以解释二硫化钨的饱和吸收。

以二硫化钨为代表的二维材料的非线性在光纤激光器中得到了充分的利用，但是科研人员对于提高非线性的研究没有停止，光纤中的线性与非线性效应是人们一直在研究的课题。在弱光作用下，光纤的各种参量是随着光的强弱线性变化的，是一种线性效应。而在强光作用下，这些特征参量就会非线性变化，从而产生较强的非线性效应。光纤中最低阶的非线性效应起源于三阶极化率χ⁽³⁾，这是三次谐波、四波混频以及非线性折射等现象产生的主要原因。

n(ω)是线性折射率部分，I为与光电场E相关的光纤内传输的光强，是非线性折射率系数。

折射率对强光依赖产生的最普遍的非线性效应现象就是自相位调制和交叉相位调制。自相位调制是光场在光纤中传输过程中由于非线性折射率使得传输脉冲进行感应相位移动。这种非线性相移一定会导致脉冲传输过程中频谱发生变化，从而导致脉冲光谱发生变化，正好符合搭建被动锁模激光器的要求，使在光纤中传输的脉冲进行压缩或者是展宽，这种现象就是自相位调制。自相位调制能够由如下公式表示：

L是光纤长度；φ为非线性相移。

另外一种效应就是交叉相位调制。交叉相位调制就是一个光场感应的不同波长、传输方向或偏振态的另一个光场的非线性相移。交叉相位调制可以由下面的公式来理解,电场E的公式为：

非线性相移则为：

交叉相位调制是由于一个脉冲光的幅度变化引起了其他光波的幅度和相位变化，这种变化和自相位调制是伴生关系。交叉相位调制与不同的偏振方向也是相关的。

光纤中具有的非线性较为微弱，而微纳光纤则恰好放大了光纤的非线性效应并提高了与诸多材料结合使用的能力。自微纳光纤问世以来，由于微纳光纤的制备成本低、工艺简单，基于微纳光纤的光学器件在光探测、光通信、光传感等诸多领域都发挥了很大作用。以微纳光纤为基础的微纳光纤谐振器得到了长足的发展，在以环形谐振器、结形谐振器和线圈谐振器中，结形谐振器具有诸多公认的优点，其结构简单，易于制备，尺寸不仅小而且可实现有目的的调谐。对于单纯的结形谐振器来说，由于二氧化硅玻璃纤维固有的弱非线性，应用在光纤激光器领域中，要有极大的泵浦功率才能实现所需要的输出，这对于能源是一种极大的消耗。结形微纳光纤谐振器具有优秀的倏逝波放大作用，能够稳定工作在折射率基板或液体中，这就提供了与光电材料结合产生有效的光子相互作用与放大倏逝波的空间。二硫化钨与结形微纳光纤谐振器的结合使用，能够极大的放大微纳光纤的倏逝波作用，能够有效兼顾二硫化钨材料的双重特性：饱和吸收特性与高非线性，实现激光器锁模中的关键器件可饱和吸收体。

关于光纤激光器的研究和制备已经持续了几十年，近年来更是激光器领域中的研究热点，而实现多波长光纤激光器是目前激光器领域中的一个重要研究方向，其优秀的性能和诸多应用领域都决定了多波长光纤激光器具有良好的发展前景。

发明内容

本发明的目的在于通过实现结形微纳光纤谐振器与二维材料二硫化钨的结合，实现一种能够稳定放大二硫化钨非线性的可饱和吸收体，并基于此制备基于微纳光纤环与二硫化物锁模器的多波长锁模光纤激光器。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

基于微纳光纤环与二硫化物锁模器的多波长锁模光纤激光器，包含二硫化钨的制备、结形微纳光纤谐振器的制备，二硫化钨与结形微纳光纤谐振器的结合，以及多波长光纤脉冲激光器的实现。

所述的二硫化钨的制备包含以下过程：

采用0.1mg/ml的二硫化钨纳米片溶液为基础，利用液相剥离法制备实验用二硫化钨，液相剥离法是把尺寸较大的WS₂等材料放在溶剂中，在超声设备的超声作用下进行分散，待材料均匀分散在溶剂中以后，再利用离心设备进行分离，从而得到少层的甚至是单层的WS₂材料。

所述的结形微纳光纤谐振器的制备包含以下过程：

利用熔融拉锥法制备微纳光纤并进一步制备成为结形微纳光纤谐振器，拉锥开始前，先将陶瓷微电偶加热器加热至工作温度，1300℃，待加热器升温至工作温度后，将光纤的拉锥部分剥去涂覆层，固定在微位移平台上，启动拉锥程序，将光纤拉锥至锥腰直径3um，待程序运行完毕，取下拉锥光纤，利用光纤镊将微纳光纤打成结。

所述的二硫化钨与结形微纳光纤谐振器的结合包含以下过程：

先将二硫化钨溶液进行超声振荡，将二硫化钨溶液放在烧杯中，使用超声波清洗仪器进行超声振荡3小时，选择一个中心波长976nm光源，该976nm光源最大的输出功率是550mW在激光器的输出尾纤与结形微纳光纤谐振器尾纤使用光纤熔接机熔接在一起，将结形微纳光纤谐振器浸在二硫化钨溶液中，在功率100mW的情况下开光五分钟，随后在室温条件下自然蒸发晾干。

所述的多波长光纤脉冲激光器的搭建过程为：

激光器的谐振腔是由一段长约为4.5m的掺铒光纤和一段单模光纤组成，掺铒光纤的掺杂系数比较高，色散系数为-16.3ps/(km·nm)，单模光纤色散系数为18ps/(km·nm)，用一个带有输出尾纤的中心波长为976nm的半导体激光器作为泵浦光源，泵浦光源的976nm单模激光通过一个980/1550的波分复用器(WDM)作为泵浦源的输入端，并用一个1：9的光纤耦合器作为输出端，在整个环形腔中，用一个偏振无关隔离器(ISO)和来控制光在环形腔内的单向传输，并用一个偏振控制器(PC)来调整激光器腔内的激光的偏振态，在光纤耦合器的10％的输出端，用一个光谱分析仪分辨率为0.02nm和一个示波器来测试，示波器用一个光电探测器来连接。

产生激光的过程如下：

单模激光光源产生980nm的泵曝光，通过波分复用装置进入环形光路，入射到增益介质掺铒光纤中，激发的1550nm激光通过保持环形激光腔保持单向传输的偏振无关隔离器、控制激光腔内激光偏振状态的偏振控制器，通过调节泵浦光源的泵浦功率和调整偏振控制器来控制激光腔内的激光偏振状态，从光谱仪中获得1530nm附近的多波长脉冲输出。

本发明的有益效果在于：

由熔融拉锥法制备的微纳光纤制备的结形微纳光纤谐振器具有易制备、体积小的优点，相比传统方法使用的普通拉锥光纤，具有更强的非线性放大效应。

结形微纳光纤谐振器与二硫化钨的结合能够完美利用二硫化钨的双重特性：可饱和吸收作用与高非线性，相比将二硫化钨转移至普通拉锥光纤，能够产生更多波长的脉冲输出。

本发明搭建的激光器得到了1530附近的7波长脉冲输出，重复频率达到5.3MHz，脉冲宽度为16.3ps，输出功率为9.1mW，克服了传统锁模器件无法得到较多波长的困难。

附图说明

图1为基于微纳光纤环与二硫化物锁模器的多波长锁模光纤激光器实验装置图；

图2为本发明激光器锁模特性：(a)为激光器输出光谱；(b)为脉冲序列；(c)为脉冲宽度；(d)为输出功率随泵浦功率变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

二硫化钨的制备包含以下过程：相比于制备材料的化学气相沉积法和机械剥离法由于液相剥离法具有操作简单快捷的优点，超声设备和离心设备工业化商业化相当普遍，因此液相剥离法得益于此，同样具有工业化生产的能力。采用0.1mg/ml的二硫化钨纳米片溶液为基础，利用液相剥离法制备实验用二硫化钨，液相剥离法是把尺寸较大的WS₂等材料放在溶剂中，在超声设备的超声作用下进行分散，待材料均匀分散在溶剂中以后，再利用离心设备进行分离，从而得到少层的甚至是单层的WS₂材料。

随后利用熔融拉锥法制备微纳光纤并进一步制备成为结形微纳光纤谐振器。拉锥开始前，先将陶瓷微电偶加热器加热至工作温度，约1300℃，待加热器升温至工作温度后，将光纤的拉锥部分剥去涂覆层，固定在微位移平台(Newport,XML200)上，启动Labview程序，将光纤拉锥至锥腰直径3um即可。待程序运行完毕，小心取下拉锥光纤并妥善保存。待微纳光纤制备完成以后，利用光纤镊将微纳光纤打成结。首先利用陶瓷切割刀将微纳光纤斩断，并将锥腰部分打结，然后将另一根切好的微纳光纤与结形微纳光纤谐振器进行耦合，实现完整的结形微纳光纤谐振器的制备。

将二硫化钨转移到拉锥光纤上的方法采用光沉积法。在采用光沉积法转移二硫化钨之前，需先将二硫化钨溶液进行超声振荡。将二硫化钨溶液放在烧杯中，使用超声波清洗仪器进行超声振荡3小时，让二硫化钨更加均匀的分散在溶液中，能够更加方便的进行光沉积法转移。首先，选择一个中心波长976nm光源(DFLD1000)，该976nm光源最大的输出功率是550mW，在激光器的输出尾纤与结形微纳光纤谐振器尾纤使用光纤熔接机(Fujikura 62S)熔接在一起，将结形微纳光纤谐振器浸在二硫化钨溶液中。在功率100mW的情况下开光五分钟以后，大量的二硫化钨纳米颗粒就会聚集在锥腰部分，由于倏逝场的作用，锥腰部分光强很强，会吸引二硫化钨纳米颗粒聚集。随后在室温条件下自然蒸发晾干。在晾干以后，将二硫化钨器件封装起来，多波长光纤激光器的核心器件：可饱和吸收体制作完成。

我们搭建了被动锁模光纤激光器。激光器的谐振腔是由一段长约为4.5m的掺铒光纤和一段单模光纤组成，掺铒光纤的掺杂系数比较高，色散系数为-16.3ps/(km·nm)，单模光纤色散系数为18ps/(km·nm)。用一个带有输出尾纤的中心波长为976nm的半导体激光器(DFLD1000)作为泵浦光源，该激光器的最大输出功率为500mW，，泵浦光源的976nm单模激光通过一个980/1550的波分复用器(WDM)作为泵浦源的输入端，并用一个1：9的光纤耦合器(OC)作为输出端。在整个环形腔中，用一个偏振无关隔离器(ISO)和来控制光在环形腔内的单向传输，并用一个偏振控制器(PC)来调整激光器腔内的激光的偏振态。在光纤耦合器的10％的输出端，用一个光谱分析仪(YOKOGAWA，AQ-6370C)分辨率为0.02nm和一个示波器(Tektronix MDO4034C)来测试，示波器用一个光电探测器(Thorlabs，PDA2GHz)来连接。

产生激光的过程如下：

单模激光光源产生980nm的泵曝光，通过波分复用装置进入环形光路，入射到增益介质掺铒光纤中。激发的1550nm激光通过保持环形激光腔保持单向传输的偏振无关隔离器、控制激光腔内激光偏振状态的偏振控制器，通过可饱和吸收体的饱和吸收和高非线性的双重作用，实现对腔内脉冲激光的整形。通过调节泵浦光源的泵浦功率和调整偏振控制器来控制激光腔内的激光偏振状态，能够从光谱仪中获得1530nm附近的多波长脉冲输出。

相比于利用传统方法制备的锁模器件搭建的光纤激光器，本发明提供了一种由微纳光纤结构与二维材料结合，充分利用两者优势，通过微纳光纤结构扩大二维材料高非线性实现了多波长锁模脉冲输出。该激光器相比传统的多波长激光器，实现了更多波长的输出，输出功率也得到了保证，没有明显降低。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于微纳光纤环与二硫化物锁模器的多波长锁模光纤激光器，其特征在于，包含二硫化钨的制备、结形微纳光纤谐振器的制备，二硫化钨与结形微纳光纤谐振器的结合，以及多波长光纤脉冲激光器的实现。

2.根据权利要求1所述的基于微纳光纤环与二硫化物锁模器的多波长锁模光纤激光器，其特征在于，所述的二硫化钨的制备包含以下过程：

采用0.1mg/ml的二硫化钨纳米片溶液为基础，利用液相剥离法制备实验用二硫化钨，液相剥离法是把尺寸较大的WS₂等材料放在溶剂中，在超声设备的超声作用下进行分散，待材料均匀分散在溶剂中以后，再利用离心设备进行分离，从而得到少层的甚至是单层的WS₂材料。

3.根据权利要求1所述的基于微纳光纤环与二硫化物锁模器的多波长锁模光纤激光器，其特征在于，所述的结形微纳光纤谐振器的制备包含以下过程：

利用熔融拉锥法制备微纳光纤并进一步制备成为结形微纳光纤谐振器，拉锥开始前，先将陶瓷微电偶加热器加热至工作温度，1300℃，待加热器升温至工作温度后，将光纤的拉锥部分剥去涂覆层，固定在微位移平台上，启动拉锥程序，将光纤拉锥至锥腰直径3um，待程序运行完毕，取下拉锥光纤，利用光纤镊将微纳光纤打成结。

4.根据权利要求1所述的基于微纳光纤环与二硫化物锁模器的多波长锁模光纤激光器，其特征在于，所述的二硫化钨与结形微纳光纤谐振器的结合包含以下过程：

先将二硫化钨溶液进行超声振荡，将二硫化钨溶液放在烧杯中，使用超声波清洗仪器进行超声振荡3小时，选择一个中心波长976nm光源，该976nm光源最大的输出功率是550mW在激光器的输出尾纤与结形微纳光纤谐振器尾纤使用光纤熔接机熔接在一起，将结形微纳光纤谐振器浸在二硫化钨溶液中，在功率100mW的情况下开光五分钟，随后在室温条件下自然蒸发晾干。

5.根据权利要求1所述的基于微纳光纤环与二硫化物锁模器的多波长锁模光纤激光器，其特征在于，所述的多波长光纤脉冲激光器的搭建过程为：

激光器的谐振腔是由一段长约为4.5m的掺铒光纤和一段单模光纤组成，掺铒光纤的掺杂系数比较高，色散系数为-16.3ps/(km·nm)，单模光纤色散系数为18ps/(km·nm)，用一个带有输出尾纤的中心波长为976nm的半导体激光器作为泵浦光源，泵浦光源的976nm单模激光通过一个980/1550的波分复用器(WDM)作为泵浦源的输入端，并用一个1：9的光纤耦合器作为输出端，在整个环形腔中，用一个偏振无关隔离器(ISO)和来控制光在环形腔内的单向传输，并用一个偏振控制器(PC)来调整激光器腔内的激光的偏振态，在光纤耦合器的10％的输出端，用一个光谱分析仪分辨率为0.02nm和一个示波器来测试，示波器用一个光电探测器来连接。

6.根据权利要求1所述的基于微纳光纤环与二硫化物锁模器的多波长锁模光纤激光器，其特征在于，产生激光的过程如下：

单模激光光源产生980nm的泵曝光，通过波分复用装置进入环形光路，入射到增益介质掺铒光纤中，激发的1550nm激光通过保持环形激光腔保持单向传输的偏振无关隔离器、控制激光腔内激光偏振状态的偏振控制器，通过调节泵浦光源的泵浦功率和调整偏振控制器来控制激光腔内的激光偏振状态，从光谱仪中获得1530nm附近的多波长脉冲输出。