CN108988111A - 基于锥形光纤硫化铅量子点的脉冲激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于锥形光纤硫化铅量子点的脉冲激光器及其制造方法。它由拉锥机、泵浦源、信号光源、波分复用器、隔离器、耦合器、偏振控制器、增益光纤构成。本方法利用熔融拉锥机制备锥腰处可激发高阶模的锥形光纤，利用传统有机金属法制得高单分散性量子点，本发明涉及两种锥形光纤与硫化铅量子点的结合方式。第一种结合方法是制备硫化铅聚苯乙烯混合液体，针管将其滴在锥腰处干燥制成；第二种方法是利用通光沉积将分散在正己烷溶液的量子点沉积在锥形光纤的锥腰处干燥制得。本发明提出的基于锥形光纤硫化铅量子点脉冲激光器，具有成本低、可调中心波长，高损耗阈值、输出脉冲稳定的特点，可广泛应用于光通信，生物医学，材料加工等方面。

Description

基于锥形光纤硫化铅量子点的脉冲激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种基于锥形光纤硫化铅量子点的脉冲激光器及其制作方法，属纳米材料制备、非线性光学、脉冲激光器的技术领域。

背景技术

脉冲光纤激光器具有脉冲能量大、峰值功率高，光束质量好、效率高等特点，因此广泛应用于在光学传感，激光材料制作，医学治疗和光学通信等领域。其中，脉冲的实现包括调Q和锁模两种方式。调Q技术产生的脉冲具有高的单脉冲能量，可调脉冲宽度等特点；锁模技术产生的脉冲则具有较窄的脉冲宽度，一般可以达到飞秒量级，高的输出功率，高重复频率等特点。同时根据腔内的控制元件是主动型和被动型，又可将调Q和锁模技术分别划分为被动型和主动型，主动型的脉冲激光器需要接入声光调制器等主动元件，使激光器的结构较为复杂，因此具有简单结构的被动调Q和锁模技术受到研究者们的广泛关注。

实现被动调Q和锁模脉冲可以通过半导体可饱和吸收镜，非线性偏转等技术，但是半导体可饱和吸收镜制造工艺较为复杂，非线性偏转又无法实现自启动，因此在近年来纳米材料可饱和吸收体成为了研究热点。例如碳纳米管、石墨烯、黑磷等材料，但是这些材料分别会有一些带隙不可调，零带隙，难以控制的非饱和损耗，吸收宽度窄等的不足。半导体硫化铅量子点，是一种新型的可饱和吸收体材料。它的三维均小于100nm，又称为准零维材料，它的纳米级尺寸特点，使它具有量子点限阈效应，即当粒子半径达到纳米量级或小于等于该材料的激子半径时，原本接近连续的能带转化为离散的能级，因此可以通过对量子点大小的控制得到不同的带隙大小，从而控制量子点荧光峰和吸收峰波长的位置，具有可调带隙特点。量子点的宽的激发、快响应、高稳定性等因素决定了它是一个极有前景的可饱和吸收体材料。

本发明将硫化铅量子点附着在锥形光纤的锥腰处做可饱和吸收体，利用锥形光纤锥腰处产生的倏逝场与量子点相互作用，相比较于夹在跳线头上的膜材料，避免了光的直接透过，因此提升了此器件的热损伤阈值，同时也增长了光与量子点相互作用的距离，为腔内提供更高的非线性，为产生更高能量和更稳定的脉冲激光器奠定基础。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种基于锥形光纤硫化铅量子点的脉冲激光器及其制作方法。本发明首次实现使用硫化铅量子点与锥形光纤结合做可饱和吸收体，同时输出了稳定的调Q脉冲和锁模脉冲。此饱和吸收体具有可调带隙，高光响应，高稳定性的特性，可通过控制材料的大小从而控制荧光峰和吸收峰的波长值，同时接入激光腔中有高损伤阈值，增长光与材料相互作用的距离，提供高非线性的特点。本发明介绍了两种锥形光纤与硫化铅量子点的结合方式，利用已有的光纤制备技术和纳米材料处理技术，制备了新型可饱和吸收体，并提出了一套实用可行的基于锥形光纤硫化铅量子点脉冲激光器的制造方法。

为了达到上述目的，本发明的构思是：

本发明提出一种基于锥形光纤硫化铅量子点的脉冲激光器，它是基于锥形光纤传输理论和纳米材料技术，利用锥形光纤的倏逝场与硫化铅量子点相互作用做可饱和吸收体窄化脉冲。其中研究了量子点的折射率特性，证明量子点是一种高折射率材料，大量附着在锥形光纤锥腰处可能会破坏锥形光纤的波导结构，使光发散，无法返回到单模光纤中传输。于是本发明考虑到量子点特性从锥形光纤制备、硫化铅量子点制备以及两者结合方面进行了以下构思。首先，因为量子点的高折射率，因此需要制备在锥腰处有更高的近场能量的锥形光纤与材料相互作用，本发明采用在锥腰处可以产生高阶模的锥形光纤，即满足非绝热条件，在实验中我们利用固定火焰加热的方法得到了具有较陡过渡区的锥形光纤，锥腰直径为5.86μm，总长2.5cm。其次，为了得到能在1550nm处具有较好吸收的量子点，我们根据量子点尺寸与吸收峰位置的关系，选用直径为7nm的量子点。最后列出两种锥形光纤与硫化铅量子点的结合方案，第一种，利用聚苯乙烯的特性使硫化铅量子点像膜一样包在锥腰处，第二种方案是将量子点溶液溶于一种低于包层折射率的有机溶液中，通过改变配比浓度从而改变溶液折射率，选用最佳沉积溶液配比浓度。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于锥形光纤硫化铅量子点的脉冲激光器，由一个泵浦光源、一个波分复用器、一段掺铒增益光纤、一个光隔离器、一个耦合器、一个偏振控制器、一段单模光纤、一段基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体构成；所述泵浦源通过波分复用器泵浦掺铒增益光纤，为腔内提供增益，掺铒增益光纤连接光隔离器，保证光的单向传输保护掺铒增益光纤不受双向光的干扰，所述光隔离器的另一端连接耦合器，所述耦合器连接基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体，在两者中间的单模光纤处安置一个偏振控制器，用于调节腔内偏振态，所述基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体通过端点熔接接进激光腔内，其另一端连接波分复用器。

所述波分复用器为980/1550nm的波分复用器。所述耦合器耦合比为50:50。

一种基于锥形光纤硫化铅量子点的脉冲激光器的制作方法，包括如下步骤：

首先，采用改进的有机金属法制备单分散性的硫化铅量子点并提纯；

其次，采用熔融拉锥技术拉制锥形光纤；

然后，将锥形光纤与硫化铅量子点相结合，制备基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体；

最后，将基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体两端分别连接单模光纤和波分复用器，接入到脉冲激光器中。

所述步骤中将锥形光纤与硫化铅量子点相结合，制备基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体包括以下步骤：

锥形光纤用U型槽封装，置于载玻片上，取少量硫化铅量子点固体溶于一定量甲苯，超声使其分散均匀，再将聚苯乙烯与甲苯混合超声至分散均匀，最后超声混合两种溶液，混合溶液通过针管定量滴在锥形光纤的锥区的锥腰处，置于真空干燥箱干燥48h，得到覆盖在锥形光纤锥腰上的量子点薄膜，即为基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体。

或者，所述步骤中将锥形光纤与硫化铅量子点相结合，制备基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体包括以下步骤：

将用U型槽封装好的锥形光纤穿入拔掉尾部的针管，固定于载玻片上，然后在针管中注入一定量的超声好的硫化铅量子点正己烷溶液，使锥形光纤的锥腰浸没在溶液中，接入ASE光源沉积得到附着在锥形光纤锥腰上量子点薄膜，通过控制通光时间控制样品损耗，最后干燥得到即为基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体。

所述制备的硫化铅量子点大小为7nm，吸收峰位于1533nm，吸收带宽宽。

所述的基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体，其中锥形光纤利用固定火焰扫描的熔融拉锥法进行拉制，使用的光纤为单模光纤，拉制后的锥区形状为抛物线形，用U型槽进行封装，避免移动过程中的形变，造成损耗。硫化铅量子点采用有机金属法制备经过后处理，得到量子点固体。

本发明的原理如下所述：

本发明基于锥形光纤硫化铅量子点脉冲激光器产生调Q和锁模脉冲激光的机理在于利用锥形光纤的倏逝场与硫化铅量子点相互作用作为可饱和吸收体，窄化脉冲输出调Q和锁模脉冲。

一个单模光纤，模式首先在纤芯中传输，也就是纤芯单模，然后随着光纤变细，纤芯包层减小基模模场减小，模场在纤芯传输，当直径减小到一定限度的时候光场向包层扩散，包层支持多种模式传播变为包层多模，纤芯减小到一定程度，光场几乎全部扩散到包层，只剩基模存在包层，进入包层单模的传输方式。本发明采用的在锥腰处产生多模的锥形光纤，在细的锥腰处，纤芯几乎忽略，光的传输模式变为包层-空气界面，一部分光泄露在空气中形成倏逝场，可与表面的材料和物质相互作用，基模光继续回到纤芯进行传输。

硫化铅量子点的三维直径均在纳米级别，产生量子限域效应，原本几乎连续的能带分裂成为离散的能级，不同的量子点尺寸大小会得到不同能级和带隙，即具有带隙可调特点，通过这个特点可以得到不同中心波长的吸收光谱，它的宽带激发特性可以使量子点在很宽的范围内被激发。

将锥形光纤与硫化铅量子点结合后接入激光器腔中，倏逝场与表面的硫化铅量子点相互作用会形成两种脉冲：调Q和锁模脉冲。调Q：在开始阶段，腔内自发福射很弱，可饱和吸收体吸收系数很大，光的透过率很低，谐振腔处于低Q值高损耗的状态，激光起振阈值较高，不能形成激光振荡。之后在泵浦光的持续作用下，反转粒子数不断累积，腔内自发辐射逐渐増强，可饱和吸收体的吸收系数变小，透过率增大，此时激光谐振腔Q值猛増，激光起振阈值骤降，产生激光振荡，输出调Q脉冲。锁模：未接入可饱和吸收体时，激光器自由振荡，输出连续激光，此时各个模式之间的相位没有固定的关系，相位差随机，各纵模之间光场振幅非相干叠加，激光输出的光振幅和光强都随机变化。接入可饱和吸收体后，相邻纵模之间相位差恒定叠加，得到稳定的锁模脉冲激光。

本发明与现有技术相比较，具有如下显著优点：

1. 本发明选用的锥形光纤直径几个微米，使其在制作微型化和集成化的光纤器件方面具有不可比拟的优势。具有强的倏逝场传输、强的光场约束性能、高的对称性和比较高的耦合效率等波导特性。由单模光纤拉制而成的锥形光纤损耗较低，易于制备和后续封装处理；2. 本发明中制备的硫化铅量子点具有较高的单分散性，环境稳定性强，可通过量子点尺寸大小的控制改变带隙，具有宽激发特性；3. 本发明中提出的两种结合方式，可通过控制附着的量子点数量控制器件损耗，实现不同脉冲的输出； 4. 本发明采用的基于锥形光纤硫化铅量子点脉冲激光器具有高稳定性，高脉冲功率的特点。

附图说明

图1为基于锥形光纤硫化铅量子点的脉冲激光器的结构示意图。

图2为采用滴定法制备锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体过程示意图。

图3为采用光沉积法制备锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体过程示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图叙述于后：

如图1所示，一种基于锥形光纤硫化铅量子点的脉冲激光器，由一个泵浦光源1、一个980nm/1550nm波分复用器2、一段掺铒增益光纤3、一个光隔离器4、一个耦合比为50:50耦合器5、一个偏振控制器6、一段单模光纤7、一段基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体8构成；所述泵浦源1通过波分复用器2泵浦掺铒增益光纤3，为激光腔内提供增益，掺铒增益光纤3连接光隔离器4，保证光的单向传输保护掺铒增益光纤3不受双向光的干扰，所述光隔离器4的另一端连接耦合器5，所述耦合器5连接基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体8，在两者中间的单模光纤7处安置一个偏振控制器6，用于调节腔内偏振态，所述基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体8通过端点熔接接进激光腔内，其另一端连接波分复用器2。

一种基于锥形光纤硫化铅量子点的脉冲激光器的制作方法，包括如下步骤：

首先，采用改进的有机金属法制备单分散性的硫化铅量子点并提纯；

其次，采用熔融拉锥技术拉制锥形光纤；

然后，将锥形光纤与硫化铅量子点相结合，制备基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体8；

最后，将基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体8两端分别连接单模光纤7和波分复用器2，接入到脉冲激光器中。

如图2所示，采用滴定法制备锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体8过程如下：锥形光纤81用U型槽82封装，置于载玻片83上，取少量硫化铅量子点固体溶于一定量甲苯，超声使其分散均匀，再将聚苯乙烯与甲苯混合超声至分散均匀，最后超声混合两种溶液，混合溶液通过针管85定量滴在锥形光纤81的锥区的锥腰处，置于真空干燥箱干燥48h，得到覆盖在锥形光纤81锥腰上的量子点薄膜84，即为基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体8。

如图3所示，采用光沉积法制备锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体8过程如下：将用U型槽82封装好的锥形光纤81穿入拔掉尾部的针管85，固定于载玻片83上，然后在针管中注入一定量的超声好的硫化铅量子点正己烷溶液87，使锥形光纤81的锥腰浸没在溶液中，接入ASE光源86沉积得到附着在锥形光纤81锥腰上量子点薄膜88，通过控制通光时间控制样品损耗，最后干燥得到即为基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体8。

本实施例中，具体工艺过程及工艺步骤如下：

1）采用熔融拉锥技术拉制锥形光纤：

a）截取大约1m的单模光纤，用剥线钳剥去大约2.5cm涂覆层，然后用蘸取酒精的无尘纸擦拭裸纤表面， 90度旋转裸纤再擦拭一遍，保证裸纤的干净。将裸纤的两端分别夹在拉锥机的两个夹具上，设置拉锥机拉伸参数，拉伸长度17000μm，拉伸速度3000μm/s，火焰摆幅为0，火焰摆速为0，拉制好的锥形光纤用安置在拉锥机上的显微镜进行表征，测得其直径为5.86μm，总长为2.5cm。

b）用胶头滴管吸取一滴B型胶滴在用酒精擦拭干净的载玻片上，再以体积比为10：1的比例取出10倍体积的A型胶滴在B型胶上，用药匙取出AB胶混合体积3/4的石英粉，用针管将其搅拌混合，得到淡黄色胶状液体。

c）将长度为5cm的U型槽放置在拉锥机的封装装置中，U型面朝上，用针尖蘸取少量的混合胶涂抹在两端加热装置正上方，接着在上方放置两个长度为1cm的U型槽，打开加热装置，待胶变成红褐色固体关闭加热装置，启动封装装置使其置于拉制好的锥形光纤下方，再在1cm U型槽上涂覆少量的胶加热，封装完成，最后将封装好的锥形光纤取下放置在载玻片上用玻璃胶固定。

2）硫化铅量子点的制备：

a）称取0.04g硫粉与7.5mL油胺混合置于单口圆底烧瓶内，将此圆底烧瓶底部浸没在120℃油浴中，用磁力搅拌器加热20min，再冷却至室温，在此过程中一直通入氮气鼓泡除氧。称取2.50g氯化铅与7.5mL油胺混合置于两口圆底烧瓶中，底部浸没在125℃油浴中，用磁力搅拌器加热20min，再将加热温度调制为120℃，从单口烧瓶中取出2.25mL硫与油胺的混合溶液注入，加热10min，获得所需尺寸的硫化铅量子点。

b）反应结束后，在两口圆底烧瓶中加入20mL正己烷进行萃取，再加入10ml正丁醇和5ml甲醇用于沉淀硫化铅量子点。将此浑浊态的溶液放入离心机以4000rpm的转速离心3min，倒掉上清液使下层量子点分散在10ml正己烷中，再向溶液中加入20ml油酸搅拌1min，再置于离心机以4000rpm的转速离心3min，最后在真空干燥箱中干燥得到硫化铅量子点固体。

所述制备的硫化铅量子点大小约为7nm，吸收峰位于1533nm，吸收带宽宽。

3）锥形光纤与硫化铅量子点的结合一：

称取20mg步骤2）中制得的硫化铅量子点固体与0.5mL甲苯混合超声30min，称取460mg聚苯乙烯粉末与1mL甲苯混合超声至均匀胶状，再将以上两种溶液混合超声30min得到量子点聚苯乙烯混合胶状液体，用容积为1mL针管吸取少量混合胶状液体滴一滴在锥形光纤锥腰处，置于真空干燥箱中干燥，得到基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体8。

4）锥形光纤与硫化铅量子点结合二：

a）将步骤1）中制备好的锥形光纤穿进1mL的针管，将锥形光纤的两端以及针管固定在载玻片上，避免移动时会产生振动，然后将其置于通风橱中。

b）用天平称取2mg硫化铅量子点与1mL的正己烷混合，超声30min，至量子点均匀分散在正己烷溶液中，将超声好的溶液注入有锥形光纤的针筒里。

c）采用1550nm的宽带ASE光源，与步骤b）中装置的单模光纤连接，单模光纤的另一端连接一个光功率计用来记录输出光功率，从而控制沉积的量子点的量，光源功率调为16.47mW，开始沉积，大约沉积15-20min后，功率计示数由降为，即沉积了3dB损耗的量子点，立即关掉光源，再将样品置于真空干燥箱中干燥24h，制得基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体8。

Claims (7)

1.一种基于锥形光纤硫化铅量子点的脉冲激光器，其特征在于，由一个泵浦光源（1）、一个波分复用器（2）、一段掺铒增益光纤（3）、一个光隔离器（4）、一个耦合器（5）、一个偏振控制器（6）、一段单模光纤（7）、一段基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体（8）构成；所述泵浦源（1）通过波分复用器（2）泵浦掺铒增益光纤（3），为腔内提供增益，掺铒增益光纤（3）连接光隔离器（4），保证光的单向传输保护掺铒增益光纤（3）不受双向光的干扰，所述光隔离器（4）的另一端连接耦合器（5），所述耦合器（5）连接基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体（8），在两者中间的单模光纤（7）处安置一个偏振控制器（6），用于调节腔内偏振态，所述基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体（8）通过端点熔接接进激光腔内，其另一端连接波分复用器（2）。

2.根据权利要求1所述的基于锥形光纤硫化铅量子点的脉冲激光器，其特征在于，所述波分复用器（2）为980/1550nm的波分复用器。

3.根据权利要求1所述的基于锥形光纤硫化铅量子点的脉冲激光器，其特征在于，所述耦合器（5）耦合比为50:50。

4.一种基于锥形光纤硫化铅量子点的脉冲激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

首先，采用改进的有机金属法制备单分散性的硫化铅量子点并提纯；

其次，采用熔融拉锥技术拉制锥形光纤；

然后，将锥形光纤与硫化铅量子点相结合，制备基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体（8）；

最后，将基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体（8）两端分别连接单模光纤（7）和波分复用器（2），接入到脉冲激光器中。

5.根据权利要求4所述的基于锥形光纤硫化铅量子点的脉冲激光器的制作方法，其特征在于，所述步骤中将锥形光纤与硫化铅量子点相结合，制备基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体（8）包括以下步骤：

锥形光纤（81）用U型槽（82）封装，置于载玻片（83）上，取少量硫化铅量子点固体溶于一定量甲苯，超声使其分散均匀，再将聚苯乙烯与甲苯混合超声至分散均匀，最后超声混合两种溶液，混合溶液通过针管（85）定量滴在锥形光纤（81）的锥区的锥腰处，置于真空干燥箱干燥48h，得到覆盖在锥形光纤（81）锥腰上的量子点薄膜（84），即为基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体（8）。

6.根据权利要求4所述的基于锥形光纤硫化铅量子点的脉冲激光器的制作方法，其特征在于，所述步骤中将锥形光纤与硫化铅量子点相结合，制备基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体（8）包括以下步骤：

将用U型槽（82）封装好的锥形光纤（81）穿入拔掉尾部的针管（85），固定于载玻片（83）上，然后在针管中注入一定量的超声好的硫化铅量子点正己烷溶液（87），使锥形光纤（81）的锥腰浸没在溶液中，接入ASE光源（86）沉积得到附着在锥形光纤（81）锥腰上量子点（88），通过控制通光时间控制样品损耗，最后干燥得到即为基于锥形光纤硫化铅量子点可饱和吸收体（8）。

7.根据权利要求4所述的基于锥形光纤硫化铅量子点的脉冲激光器的制作方法，其特征在于，所述制备的硫化铅量子点大小为7nm，吸收峰位于1533nm，吸收带宽宽。