CN109167239B - 一种高重频可调光纤法珀腔锁模激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于信息与科学技术领域，具体涉及一种高重频可调光纤法珀腔锁模激光器。通过在全光纤锁模激光器的系统内集成具有饱和吸收特性的二维薄膜材料(如硒化钨和石墨烯)异质结构，实现在外部电压动态调控之下的，重频大范围调制的稳定的超短脉冲输出。本发明在超短的激光腔具有超高重频，比传统光纤锁模激光器重频高3～4个数量级；法珀腔结构尺寸微小，热稳定和偏振稳定性好，输出噪声抑制比为50～60分贝，比传统光纤锁模激光器高10倍以上；其超短脉冲的重频从2GHz到350GHz大范围调制，远超传统光纤锁模激光器。且可直接集成于全光系统、通信系统，特别是作为光源在超高速通信与信号处理等领域潜力巨大。

Description

一种高重频可调光纤法珀腔锁模激光器
技术领域
本发明属于信息与科学技术领域，具体涉及一种高重频可调光纤法珀腔锁模激光器。
背景技术
超快激光因其极短持续时间、极高峰值功率等特点，自诞生以来就受到人们的瞩目，在工业、军事、医疗、科研等方面为人类的生产生活带来巨大的改变。经过几十年的发展，超快激光成功推动了一大批前沿学科和技术的诞生与发展，如非线性光学、激光光谱学、强场物理、激光核聚变、激光冷加工等。伴随着超短脉冲激光器的小型化，应用于天体探测领域为人类提供全新的实验手段与极端的物理条件以及应用于通信、消费类电子、医疗、工业加工等领域为市场提供廉价成熟的应用逐渐成为现实。
具有锁模脉冲激光的光纤激光器作为超短脉冲的佼佼者，是许多光子系统的基础，在精密光学计量、光通信、光子传感和激光加工、医疗等科学技术领域与工业应用上发挥着及其重要的作用。近年来，随着对锁模脉冲技术的深入研究，其在超高速通信与超高速信息处理的应用潜力和价值逐渐显露出来。
对于无源的锁模激光器而言，其重频取决于激光器的腔长；而有源的锁模激光器的重频受到其调制带宽的限制。然而，通过腔长的改变实现激光器重频的调制往往是手动的，无法提供稳定的、精确的重频调制；利用电学上的动态调制实现锁模激光器高重频的大范围调控难度高、成本高昂，无法实现大规模的市场应用。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决现有锁模激光器存在体积过大、不稳定、成本高昂、结构复杂、抗干扰能力弱和实现重频大范围调控难以兼顾的问题。本发明提供了一种高重频可调光纤法珀腔锁模激光器，通过在全光纤锁模激光器的系统内集成具有饱和吸收特性的二维薄膜材料(如硒化钨和石墨烯)异质结构，实现在外部电压动态调控之下的，重频大范围调制的稳定的超短脉冲输出。
该高重频光纤法珀腔锁模激光器包括单模光纤、石英毛细管和掺铒光纤。
所述单模光纤有三根，其中两根单模光纤的一端镀有介质薄膜，在1550纳米波段具有≥95％的反射率；且其中一根镀有介质薄膜单模光纤的端面依次沉积有ITO膜层和三氧化二铝薄膜。所述介质薄膜为二氧化硅、二氧化锆薄膜依次叠加沉积而成。
第三根单模光纤的一端沉积普通电极，并将其纤芯部分的电极膜去除，而后将其插入到具有饱和吸收特性的多层二维薄膜材料上，由于范德华力多层二维薄膜材料贴附到该单模光纤端面上。第三根单模光纤的电极沉积端与沉积有ITO膜层与三氧化二铝薄膜的单模光纤端构成异质结结构。
镀有介质薄膜单模光纤、第三根单模光纤、掺铒光纤和镀有介质薄膜单模光纤按顺序插入到内径125微米的石英毛细管中；两根镀有介质薄膜单模光纤的镀膜端在石英毛细管内形成Q值≥200万的法珀微腔，第三根单模光纤的非电极端接掺铒光纤，掺铒光纤的另一端接未沉积电极的镀有介质薄膜单模光纤；所述掺铒光纤的色散为10～14fs2/mm。
进一步的，所述具有饱和吸收特性的多层二维薄膜材料为硒化钨或石墨烯，其层数≥10，普通电极选用金或钛。
本发明的工作过程为：通过单模光纤将泵浦光源信号注入法珀谐振腔中。在法珀谐振腔区域，由于激光腔端面具有高反射率，所构成的谐振腔Q值高达200万，通过掺铒光纤的增益放大，形成激光激射。由于集成在第三根单模光纤端面多层二维薄膜材料的饱和吸收效应，法珀微腔激光器逐渐形成锁模脉冲；在外界偏置电压为0伏特时，其超短脉冲的重频为基础锁模频率2GHz；调节电压至20伏特，其重频可达到350GHz；为了避免外界偏置电压过高，引起异质结结构遭到破坏，设置所加电压上限为20伏特。
本发明利用具有饱和吸收特性的多层二维薄膜材料，当光入射到此类二维薄膜材料上时，其电子吸收光子能量从价带跃迁到导带。当光强足够大时，大量的光子被不断地激发到导带，导致价带和导带的所有能量都被电子和空穴完全占据。此时由于泡利不相容原理，两个电子不能填满相同的状态，电子不再跃迁。光子不被吸收而无损耗地通过二维薄膜材料，这就称之为基于泡利不相容原理的饱和吸收效应。利用该饱和吸收效应，以实现激光器的锁模和调Q操作。当然不同层数的二维薄膜材料的饱和吸收效应不同，通过控制其层数，以产生多种不同的饱和吸收效应。
本发明使用的掺铒光纤中的铒离子吸收光子的能量后会跃迁到高能级上，当大量的铒离子再从高能级跃迁到基态时，就辐射出大量的相干光子。在外部没有激励的情况下Er3+离子处于基态，一旦有激励光源入射，Er3+离子就会向高能级跃迁，根据激励光源波长的不同会使Er3+离子跃迁到不同的能级上。Er3+离子主要有三个能级：基态E1、受激辐射高能级态E2和泵浦高能态E3。跃迁到E3能级的Er3+离子转移到亚稳态E2，此时并无光子辐射出去，当时间足够长、激励能量足够大时，会使E2上积累大量的Er3+离子，此时粒子数反转，如果有波长1550纳米的光源通过掺铒光纤时，E2上的Er3+离子就会发生受激辐射而回落到基态上，同时释放出一个相同的光子，这就完成了放大过程。同时，掺铒光纤在激光震荡的过程中会产生非线性效应，与单模光纤带来的反常色散达到平衡时就会产生孤子脉冲，有利于锁模脉冲稳定地传输。
综上所述，本发明的有益效果表现在：超短的激光腔具有超高重频，比传统光纤锁模激光器重频高3～4个数量级；法珀腔结构尺寸微小，热稳定和偏振稳定性好，输出噪声抑制比为50～60分贝，比传统光纤锁模激光器高10倍以上；利用多层硒化钨薄膜作为电可调饱和吸收体，实现输出激光重频大范围可调，其超短脉冲的重频从2GHz到350GHz大范围调制，远超传统光纤锁模激光器。且可直接集成于全光系统、通信系统，特别是作为光源在超高速通信与信号处理等领域潜力巨大。
附图说明
图1是实施例的三维结构示意图；
图2是实施例的ITO膜层、三氧化二铝和硒化钨异质结平面图；
图3是实施例的显微镜下法珀腔体照片；
图4为实施例的测试装置示意图；
图5为实施例电压调节硒化钨的饱和吸收效率示意图；
图6为实施例的电压调节输出重频示意图；
附图标记：单模光纤-1，ITO膜层-2，金膜-3，掺铒光纤-4，介质薄膜-5，三氧化二铝薄膜-6，多层硒化钨薄膜-7，石英毛细管-8，泵浦源-9,法珀腔体-10，光探测器-11，示波器-12，光谱仪-13。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
结合图1、图2、图3所示，利用普通的单模光纤(1)，将其端面切割、打磨抛光具备镜面级别表面光滑度后，在其端面采用真空蒸镀的方法，蒸镀上16层二氧化硅、二氧化锆介质薄膜(5)，使其在1550纳米波段达到97.188％的反射率，形成具有高反射率介质膜的单模光纤。
采用一段3厘米长、两端切平的单模光纤利用离子溅射仪喷溅一层30纳米厚的金膜(3)，纤芯部分用钨钢纳米探针去除金膜，而后将其插入到利用化学气相沉积法制备的10层硒化钨薄膜上，由于范德华力，多层硒化钨薄膜(7)贴附到光纤端面上，然后，利用溅射沉积法将30纳米厚的ITO透明膜层(2)沉积到镀膜光纤反射膜表面(5)，此后用同样的方法沉积一层30纳米厚的三氧化二铝薄膜(6)，将三氧化二铝部分(6)与金电极(3)部分通过毛细管插接后形成异质结结构。
掺铒光纤(4)为2厘米，石英毛细管(8)内径为125微米，法珀腔长5厘米，完成光路的准直和封装，如图1所示。
结合图4、图5、图6所示，将980纳米的泵浦源(9)接入到镀有高反射率介质膜的单模光纤一端，经过封装后的多层硒化钨薄膜的光纤法珀高重频锁模激光器后，泵浦光子在法珀腔内不断谐振产生增益放大，由于硒化钨的饱和吸收作用，锁模脉冲得以实现。此后，利用光谱仪(13)或者光探测器(11)光电转换后由示波器(12)接收信号。在整个锁模激光器工作过程中，通过外加金电极的电压调控，调制多层硒化钨薄膜的电流通量，因而硒化钨的饱和吸收效率也随之改变(图5)。利用所加电压的不同，实现0V到20V范围内对多层硒化钨薄膜的光纤法珀高重频锁模激光器重频从2GHz到350GHz的大范围调制，调制效果如图6所示。
综上可见，本发明的锁模激光器兼顾了体积小、高稳定性、低成本、结构简单和重频大范围调控。

Claims (2)

1.一种高重频可调光纤法珀腔锁模激光器，包括单模光纤、石英毛细管和掺铒光纤，其特征在于：
所述单模光纤有三根，其中第一、第二根单模光纤的一端镀有介质薄膜，在1550纳米波段具有≥95％的反射率；且第一根镀有介质薄膜单模光纤的端面依次沉积有ITO膜层和三氧化二铝薄膜；介质薄膜为二氧化硅、二氧化锆薄膜依次叠加沉积而成；
第三根单模光纤的一端沉积普通电极，并将其纤芯部分的电极膜去除，而后将其插入到具有饱和吸收特性的多层二维薄膜材料上；第三根单模光纤的电极沉积端与沉积有ITO膜层与三氧化二铝薄膜的第一根镀有介质薄膜单模光纤端构成异质结结构；
第一根镀有介质薄膜单模光纤、第三根单模光纤、掺铒光纤和第二根镀有介质薄膜单模光纤按顺序插入到内径125微米的石英毛细管中；两根镀有介质薄膜单模光纤的镀膜端在石英毛细管内形成Q值≥200万的法珀微腔，第三根单模光纤的非电极端接掺铒光纤，掺铒光纤的另一端接未沉积电极的第二根镀有介质薄膜单模光纤；
所述掺铒光纤的色散为10～14fs2/mm。
2.如权利要求1所述高重频可调光纤法珀腔锁模激光器，其特征在于：所述具有饱和吸收特性的多层二维薄膜材料为硒化钨或石墨烯，其层数≥10，普通电极选用金或钛,激光器重频可调范围2GHz到350GHz。
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