CN109616861A - 一种多波长光纤激光器及金纳米粒子锁模器件的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种多波长光纤激光器及金纳米粒子锁模器件的制备方法，属于激光器领域。本发明其结构为泵浦光源依次与波分复用器、谐振腔、偏振无关隔离器、金纳米粒子锁模器件、光纤耦合器连接，耦合器的另一端分别与波分复用器和输出光光纤连接，所述金纳米粒子锁模器件包括第一光纤连接头与第二光纤连接头，第一光纤连接头与第二光纤连接头之间为金纳米颗粒薄膜，所述谐振腔的增益介质为掺杂光纤和单模光纤。本发明的金纳米粒子具有强大的非线性放大效应，对激光器结构的稳定性具有显著的增益作用；在超长时间稳定性和光谱稳定性上性能优异，实现了多波长Q调制锁模也具有高输出功率的优点；并克服了传统锁模方式结构复杂而且稳定性较差的缺点。

Description

一种多波长光纤激光器及金纳米粒子锁模器件的制备方法

技术领域

本发明属于激光器领域，具体涉及一种多波长光纤激光器及金纳米粒子锁模器件的制备方法。

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。

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。

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

针对上述问题，本发明提供了一种多波长光纤激光器及金纳米粒子锁模器件的制备方法。

为实现上述目的，一种多波长光纤激光器，其结构为泵浦光源依次与波分复用器、谐振腔、偏振无关隔离器、金纳米粒子锁模器件、光纤耦合器连接，耦合器的另一端分别与波分复用器和输出光光纤连接，所述金纳米粒子锁模器件包括第一光纤连接头与第二光纤连接头，第一光纤连接头与第二光纤连接头之间为金纳米颗粒薄膜，所述谐振腔的增益介质为掺铥光纤和单模光纤。

所述谐振腔的增益介质为一段4.5m长的掺铥光纤和一段单模光纤组成。

所述泵浦光源为中心波长为1562nm的可调谐激光器及其放大器，可调谐激光器的最大输出功率为1.2W，所述波分复用器的工作波长为1560/1980nm，所述光纤耦合器的分光比为1：9。

一种金纳米粒子锁模器件的制备方法，具体的步骤为：

步骤1.使用硼氢化钠还原法合成金纳米溶液，将50mL的柠檬酸三钠，3mL的苯乙烯磺酸钠和3mL的硼氢化钠加入到含有1000mL的去离子水的烧杯中，同时以每分钟450转的速度搅拌，在连续搅拌过程中向混合物中滴加50mL的氯金酸，然后加入过量的苯乙烯磺酸钠，反应进行五分钟；继续离心，直到金纳米粒子溶液的颜色不发生变化；

步骤2.制备金纳米粒子薄膜，将制备的金纳米粒子溶液与PVA溶液混合，将混合物缓慢搅拌2小时后，将所得悬浊液倒入培养皿中并在室温下保持干燥两天；

步骤3.将薄膜从培养皿中缓慢剥离，将金纳米粒子薄膜切成小片并连接到光纤连接头上。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的金纳米粒子具有非常强大的非线性放大效应，对于激光器结构的稳定性具有十分显著的增益作用；在超长时间稳定性和光谱稳定性方面，该激光器具有十分优秀的性能，实现了多波长Q调制锁模也具有高输出功率的优点；本发明搭建的激光器得到了1896附近的Q调制多波长脉冲输出，并克服了传统锁模方式结构复杂而且稳定性较差的缺点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的激光器锁模特性Q调制双波长输出光谱。

图3为本发明的激光器锁模特性Q调制双波长脉冲序列。

图4为本发明激光器锁模特性Q调制三波长输出光谱。

图5为本发明激光器锁模特性Q调制三波长脉冲序列。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

实施例1

本发明的目的是通过制备金纳米粒子锁模器件，利用其非线性以及饱和吸收特性，实现一种新型的可饱和吸收体，并基于此制备多波长光纤激光器，实现多波长锁模脉冲输出。

金纳米粒子锁模器件的制备

用于该工作的金纳米颗粒使用了硼氢化钠还原法合成。

首先将50mL的柠檬酸三钠，3mL的苯乙烯磺酸钠和3mL的硼氢化钠加入到含有1000mL的去离子水的烧杯中，同时以每分钟450转的速度搅拌。在连续搅拌过程中向混合物中滴加50mL的氯金酸，然后再加入过量的苯乙烯磺酸钠。让反应进行五分钟，然后继续离心。在合成期间，金纳米粒子溶液的颜色经理从黄色到深红色或者品红色的颜色变化。直到品红色溶液没有显示出进一步的颜色变化，再将制备的金纳米粒子溶液与PVA溶液混合来制备可饱和吸收体薄膜。通过将PVA粉末溶解于去离子水中来制备PVA溶液，在145℃下搅拌知道粉末完全溶解。将混合物缓慢搅拌2小时后，将所得悬浊液倒入培养皿中并在室温下保持干燥。两天后，将薄膜从培养皿中缓慢剥离，成功制备到得金纳米粒子薄膜可饱和吸收体锁模器件。随后，将金纳米粒子薄膜切成小片并连接到光纤连接头上，从而实现完整光纤锁模器的制备。

激光器的搭建

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的掺铥光纤和一段单模光纤组成，掺铥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1562nm的可调谐激光器及其放大器(TL700)作为泵浦光源，该激光器的最大输出功率为1.2W，泵浦光源的1562nm单模激光通过一个1560/1980nm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。

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0.05nm和一个示波器(TektronixMDO4034C)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1562nm的泵浦光，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1910nm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，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控制激光腔内的激光状态，能够从光谱仪中获得1896nm附近的多波长脉冲输出。200mW功率状态下，得到了脉宽22.5μs的双波长调Q脉冲。随后增加功率至500mW，成功得到了脉宽11.1μs的三波长调Q脉冲。

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金纳米粒子作为新型锁模器件，并利用其高非线性实现了Q调制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。

Claims (4)

1.一种多波长光纤激光器，其结构为泵浦光源依次与波分复用器、谐振腔、偏振无关隔离器、金纳米粒子锁模器件、光纤耦合器连接，耦合器的另一端分别与波分复用器和输出光光纤连接，其特征在于：所述金纳米粒子锁模器件包括第一光纤连接头与第二光纤连接头，第一光纤连接头与第二光纤连接头之间为金纳米颗粒薄膜，所述谐振腔的增益介质为掺铥光纤和单模光纤。

2.根据权利要求1所述的一种多波长光纤激光器，其特征在于：所述谐振腔的增益介质为一段4.5m长的掺铥光纤和一段单模光纤组成。

3.根据权利要求1所述的一种多波长光纤激光器，其特征在于：所述泵浦光源为中心波长为1562nm的可调谐激光器及其放大器，可调谐激光器的最大输出功率为1.2W，所述波分复用器的工作波长为1560/1980nm，所述光纤耦合器的分光比为1：9。

4.一种金纳米粒子锁模器件的制备方法，其特征在于，具体的步骤为：

步骤1.使用硼氢化钠还原法合成金纳米溶液，将50mL的柠檬酸三钠，3mL的苯乙烯磺酸钠和3mL的硼氢化钠加入到含有1000mL的去离子水的烧杯中，同时以每分钟450转的速度搅拌，在连续搅拌过程中向混合物中滴加50mL的氯金酸，然后加入过量的苯乙烯磺酸钠，反应进行五分钟；继续离心，直到金纳米粒子溶液的颜色不发生变化；

步骤2.制备金纳米粒子薄膜，将制备的金纳米粒子溶液与PVA溶液混合，将混合物缓慢搅拌2小时后，将所得悬浊液倒入培养皿中并在室温下保持干燥两天；

步骤3.将薄膜从培养皿中缓慢剥离，将金纳米粒子薄膜切成小片并连接到光纤连接头上。