CN109787075A - 一种基于二硫化锡锁模器的双波长锁模光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于二硫化锡锁模器的双波长锁模光纤激光器，属于固体光纤激光器领域，具体包括泵浦光源、波分复用器、掺铒光纤、偏振相关型隔离器、偏振控制器、耦合器和二硫化锡薄膜可饱和吸收体锁模器件；波分复用器一端与泵浦光源相连，另一端与掺铒光纤、隔离器、偏振控制器、二硫化锡薄膜可饱和吸收体锁模器件、耦合器输入端通过单模光纤依次相连；所述的二硫化锡薄膜可饱和吸收体锁模器件由两个单模光纤接头和二硫化锡薄膜构成。本发明中的激光器结构稳定，输出光谱超长时间稳定性强；同时，本发明所述的激光器可实现高功率的双波长锁模输出，可实现1550nm附近的双波长脉冲输出，克服了统锁模方式结构复杂而且稳定性较差的缺点。

Description

一种基于二硫化锡锁模器的双波长锁模光纤激光器

技术领域

本发明属于固体光纤激光器领域，具体涉及一种基于二硫化锡锁模器的双波长锁模光纤激光器。

背景技术

光纤激光器的核心为增益介质，通常使用掺杂稀元素的光纤作为增益介质。光纤激光器通过导入泵浦光进入增益光纤的纤芯达到高功率密度，形成粒子数反转，当形成谐振腔时形成激光。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，两者的区别还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,耦合效率高，光纤芯很细，光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高转换效率,低激光阈值的特点,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,可借助光纤方向耦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1.3μm和1.5μm以及2-3μm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。

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

本发明的目的是通过制备二硫化锡锁模器件，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。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于二硫化锡锁模器的双波长锁模光纤激光器，具体包括泵浦光源、波分复用器、掺铒光纤、偏振相关型隔离器、偏振控制器、耦合器和二硫化锡薄膜可饱和吸收体锁模器件；泵浦光源与波分复用器相连作为光路的输入端，耦合器为1:9的单模光纤耦合器，耦合器的两个输出端中的90％端与波分复用器相连作为光路的环路，耦合器的10％输出端作为激光器的输出端，耦合器的输入端与二硫化锡薄膜可饱和吸收体锁模器件相连；波分复用器一端与泵浦光源相连，另一端与掺铒光纤、隔离器、偏振控制器、二硫化锡薄膜可饱和吸收体锁模器件、耦合器输入端通过单模光纤依次相连；所述的二硫化锡薄膜可饱和吸收体锁模器件由两个单模光纤接头和二硫化锡薄膜构成。

所述的二硫化锡薄膜可饱和吸收体锁模器件具体包括：二硫化锡薄膜切成小片镀在单模光纤接头上，两个完全相同的单模光纤接头相对同轴放置，使用法兰盘连接。

所述的泵浦光源、波分复用器、掺铒光纤、偏振相关型隔离器、偏振控制器、耦合器和二硫化锡薄膜可饱和吸收体锁模器件之间均通过单模光纤耦合。

所述的掺铒光纤长度为4.5米，所述的泵浦光源为中心波长980nm的半导体激光器。

所述的二硫化锡薄膜具体包括如下制作步骤：

(1)在一个干净的烧杯中称取0.91g五水氯化锡和0.51g硫代乙酰胺，使用33.5ml的水与1.5ml浓盐酸配置成稀盐酸，将配置好的稀盐酸加入烧杯中；

(2)将步骤(1)烧杯中的混合物用磁力搅拌器搅拌10分钟后再超声30分钟；

(3)将混合溶液倒入高压釜中密封加热至200度，加热12小时；反应结束后，离心处理收集棕黑色产物，用无水乙醇进行洗涤后在50度真空下干燥5小时；

(4)将PVC粉末溶解于水离子并在145℃下搅拌直到粉末完全溶解，得到PVC溶液；将步骤(1)-步骤(3)得到的二硫化锡溶液与PVC溶液混合得到混合物；将混合物缓慢搅拌2小时后得到悬浊液；

(5)将悬浊液倒入培养皿中并在室温下保持干燥两天，得到二硫化锡薄膜。

本发明的有益效果在于：二硫化锡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，实现的双波长锁模也具有高输出功率的优点；基于本发明技术特点搭建的激光器得到了1550nm附近的双波长脉冲输出，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为本发明的光纤激光器结构示意图；

图2为本发明的激光器锁模特性(a)为激光器输出光谱图；(b)为激光器的脉冲序列。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术、优点和实用价值易于明白理解，以下结合附图和具体实施例对本申请进行详细描述。

本发明为一种基于二硫化锡锁模器的双波长锁模光纤激光器，如图1所示为本发明的光纤激光器的结构示意图，具体包括泵浦光源、波分复用器、掺铒光纤、偏振相关型隔离器、偏振控制器、耦合器和二硫化锡薄膜可饱和吸收体锁模器件；泵浦光源与波分复用器相连作为光路的输入端，耦合器为1:9的单模光纤耦合器，耦合器的两个输出端中的90％端与波分复用器相连作为光路的环路，耦合器的10％输出端作为激光器的输出端，耦合器的输入端与二硫化锡薄膜可饱和吸收体锁模器件相连；波分复用器一端与泵浦光源相连，另一端与掺铒光纤、隔离器、偏振控制器、二硫化锡薄膜可饱和吸收体锁模器件、耦合器输入端通过单模光纤依次相连；二硫化锡薄膜可饱和吸收体锁模器件包括两个单模光纤接头和二硫化锡薄膜构成。二硫化锡薄膜切成小片镀在单模光纤接头上，两个完全相同的单模光纤接头相对同轴放置，使用法兰盘连接。泵浦光源、波分复用器、掺铒光纤、偏振相关型隔离器、偏振控制器、耦合器和二硫化锡薄膜可饱和吸收体锁模器件之间均通过单模光纤耦合。掺铒光纤长度为4.5米，泵浦光源为中心波长980nm的半导体激光器。

本发明采用化学合成法来制备二硫化锡材料，在一个干净的烧杯中称取0.91g五水氯化锡(SnCl·5H₂O)和0.51g硫代乙酰胺(CH₃CSNH₂)，再将配置好的稀盐酸(33.5ml H₂O与1.5ml浓HCL)加入其中，将烧杯中的混合物用磁力搅拌器搅拌10分钟后再超声30分钟。然后再次将混合溶液倒入高压釜中密封加热至200度，加热12小时。反应结束后，离心处理收集棕黑色产物，用无水乙醇洗涤几次。最后，在50度真空下干燥5小时。再将制备的二硫化锡溶液与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℃下搅拌直到粉末完全溶解。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，成功制备到得二硫化锡薄膜可饱和吸收体锁模器件。随后，将二硫化锡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。

实施例1：

搭建了如图1所示的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的掺铒光纤组成。用一个中心波长980nm的半导体激光器作为泵浦光源。泵浦光源的单模激光通过一个的波分复用器(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)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(Tektronix MDO4034C)来测试，示波器用一个光电探测器(Thorlabs，PDA2GHz)来连接。

单模激光光源产生的泵浦光，通过波分复用装置进入环形光路，入射到增益介质中。激发的泵浦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1550nm附近的脉冲输出，其脉冲宽度为5.3ps。图2(a)为实施例1中的激光器输出光谱图，图2(b)为实施例1中激光器的脉冲序列。

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二硫化锡作为新型锁模器件，并利用其高非线性实现了双波长锁模脉冲输出。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。二硫化锡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，实现的双波长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1550nm附近的双波长脉冲输出，并克服了传统锁模方式结构复杂而且稳定性较差的缺点。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法技术和核心思想，并不限制本发明，同时，根据本申请的思想，在具体实施方式和应用范围上均会有改变之处，这些改变都落入本发明的保护范围内。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 (5)

1.一种基于二硫化锡锁模器的双波长锁模光纤激光器，具体包括泵浦光源、波分复用器、掺铒光纤、偏振相关型隔离器、偏振控制器、耦合器和二硫化锡薄膜可饱和吸收体锁模器件；泵浦光源与波分复用器相连作为光路的输入端，耦合器为1:9的单模光纤耦合器，耦合器的两个输出端中的90％端与波分复用器相连作为光路的环路，耦合器的10％输出端作为激光器的输出端，耦合器的输入端与二硫化锡薄膜可饱和吸收体锁模器件相连；波分复用器一端与泵浦光源相连，另一端与掺铒光纤、隔离器、偏振控制器、二硫化锡薄膜可饱和吸收体锁模器件、耦合器输入端通过单模光纤依次相连；所述的二硫化锡薄膜可饱和吸收体锁模器件由两个单模光纤接头和二硫化锡薄膜构成。

2.根据权利要求1所述的一种基于二硫化锡锁模器的双波长锁模光纤激光器，其特征在于所述的二硫化锡薄膜可饱和吸收体锁模器件具体包括：

二硫化锡薄膜切成小片镀在单模光纤接头上，两个完全相同的单模光纤接头相对同轴放置，使用法兰盘连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于二硫化锡锁模器的双波长锁模光纤激光器，其特征在于所述的泵浦光源、波分复用器、掺铒光纤、偏振相关型隔离器、偏振控制器、耦合器和二硫化锡薄膜可饱和吸收体锁模器件之间均通过单模光纤耦合。

4.根据权利要求1所述的一种基于二硫化锡锁模器的双波长锁模光纤激光器，其特征在于所述的掺铒光纤长度为4.5米，所述的泵浦光源为中心波长980nm的半导体激光器。

5.根据权利要求1所述的一种基于二硫化锡锁模器的双波长锁模光纤激光器，其特征在于所述的二硫化锡薄膜具体包括如下制作步骤：

(1)在一个干净的烧杯中称取0.91g五水氯化锡和0.51g硫代乙酰胺，使用33.5ml的水与1.5ml浓盐酸配置成稀盐酸，将配置好的稀盐酸加入烧杯中；

(2)将步骤(1)烧杯中的混合物用磁力搅拌器搅拌10分钟后再超声30分钟；

(3)将混合溶液倒入高压釜中密封加热至200度，加热12小时；反应结束后，离心处理收集棕黑色产物，用无水乙醇进行洗涤后在50度真空下干燥5小时；

(4)将PVC粉末溶解于水离子并在145℃下搅拌直到粉末完全溶解，得到PVC溶液；将步骤(1)-步骤(3)得到的二硫化锡溶液与PVC溶液混合得到混合物；将混合物缓慢搅拌2小时后得到悬浊液；

(5)将悬浊液倒入培养皿中并在室温下保持干燥两天，得到二硫化锡薄膜。