CN111129928A - 二维材料与m-z协同的可调超高重频超短脉冲光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种二维材料与M‑Z子腔协同的可调超高重频超短脉冲光纤激光器，所述光纤激光器，包括：泵浦源、波分复用器、单模光纤、增益光纤、可饱和吸收体和M‑Z子腔，所述单模光纤、增益光纤、M‑Z子腔和可饱和吸收体连接形成环形光纤激光腔，所述泵浦源通过所述波分复用器耦合于所述环形光纤激光腔，所述可饱和吸收体采用二维薄膜材料制作，所述M‑Z子腔与所述可饱和吸收体协同作用产生大于0.1THz的超高重频激光输出。本发明首次实现了重复频率在11.11THz以上的高重复频率与脉冲宽度在31.81fs的超短脉冲激光输出，比目前已知的最高重频提高了一个量级，而且整体装置结构制作简单，成本低廉，具有广泛的推广应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，具体涉及一种基于二维材料与M-Z子腔协同作用产生可调超高重频、超短脉冲光纤激光的光纤激光器以及基于所述光纤激光器产生连续可调超高重频、超短脉冲光纤激光的方法。
背景技术
随着光纤激光器及激光技术的高速发展，人们对光纤激光器的性能要求越来越高，为了满足不同领域日益增长的需求，光纤激光器逐渐形成了不同的研究方向，主要分为高功率光纤激光器、多波长光纤激光器、超短脉冲光纤激光器、宽光谱光纤激光器和高重频光纤激光器。目前，我们已经对高功率光纤激光器等有着较为深入的研究并取得了不错的成果，但对于高重频光纤激光器，还有着较大的发展空间。连续的超高频的脉冲序列在很多领域有着不可替代的重要作用，例如它可以用于超高比特率光通信网络，所有光逻辑和信号处理电路以及测试和测量系统，微波光子学和非线性光学，任意光波形生成，时间分辨双光梳光谱、超快异步光学采样、高精度时频计量、天文光梳光谱仪校准、生物成像等领域。更重要的是，对于未来的时钟频率超过电子极限的计算机处理器而言，如何获得越来越高的重复频率变得尤为重要。目前产生高重频激光的方法主要有两种，分别是在光纤激光器中插入法布里珀罗(F-P)子腔和光纤微环子腔。使用F-P子腔产生高重频激光，可以通过调节F-P腔镜之间的距离来调节重频，腔镜之间的距离越近产生的重频越高。但是不断的缩短腔镜之间的距离，光在其间来回振荡时的功率密度也会随之增大，要想获得大功率激光的输出会极易损坏腔镜，因此该方式不可产生功率较高的高重频激光。使用光纤微环子腔来产生高重频激光，微环半径越小获得的重频就越高。但是由于微环制备完成后无法调节半径，所以获得的激光重频无法调节，并且重频越高就要求微环半径越小，制作难度相应的增大。因此现有技术中产生超高重频超短脉冲激光的装置都存在着一定的缺陷，限制了其实用化。
发明内容
本发明基于上述现有技术问题，创新的提出一种基于马赫曾德尔(M-Z)子腔的高重频激光产生装置和方法，首创的提出基于二维材料与M-Z子腔协同作用产生可调超高重频、超短脉冲光纤激光的光纤激光器以及基于所述光纤激光器产生连续可调超高重频、超短脉冲光纤激光的方法。本发明通过协同基于二维材料的可饱和吸收体与M-Z子腔来产生高重频激光，使得仅通过调节M-Z子腔两臂之间长度差就可调节产生激光的重频，长度差越小可获得的重频就越高，而且即使功率较高，整个系统也可稳定运行，不会造成器件损坏，并且首次实现了重复频率在11.11THz以上的高重复频率与脉冲宽度在31.81fs的超短脉冲激光输出，比目前已知的最高重频提高了一个量级，而且整体装置结构制作简单，成本低廉，具有广泛的推广应用价值。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
一种可调超高重频超短脉冲光纤激光器，包括：泵浦源、波分复用器、单模光纤、增益光纤、可饱和吸收体和M-Z子腔，所述单模光纤、增益光纤、M-Z子腔和可饱和吸收体连接形成环形光纤激光腔，所述泵浦源通过所述波分复用器耦合于所述环形光纤激光腔，所述可饱和吸收体采用二维薄膜材料制作，所述M-Z子腔与所述可饱和吸收体协同作用产生大于0.1THz的超高重频激光输出。
进一步的根据本发明所述的可调超高重频超短脉冲光纤激光器，其中所述可饱和吸收体为石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜的厚度为3-8微米，透光率为60-90％，含有的石墨烯层数为1-30层。
进一步的根据本发明所述的可调超高重频超短脉冲光纤激光器，其中所述石墨烯薄膜的制备方法包括以下步骤：
步骤(1)，称量一定量的石墨烯粉末，量取一定体积的去离子水，将石墨烯粉末溶于去离子水中并搅拌均匀形成石墨烯水溶液，石墨烯水溶液浓度处于0.02-0.1mg/ml；
步骤(2)，将所得的石墨烯水溶液倒入小烧杯中，使用超声破碎机破碎预定时间，破碎期间保证石墨烯水溶液温度不高于50℃；
步骤(3)，破碎完成之后，将一个磁子置入盛有石墨烯水溶液的小烧杯中并将小烧杯放在加热磁力搅拌器上，将搅拌器的温度设置为75-100℃，开始加热石墨烯溶液，加热的同时使磁子不停的搅拌溶液；
步骤(4)，称取预定量的聚乙烯醇粉末，并将聚乙烯醇粉末加入石墨烯溶液中，并控制其浓度为0.02-0.1g/ml，继续加热来维持溶液温度，另外加大搅拌力度持续搅拌直至溶液变得均匀且粘稠后停止加热和搅拌，然后将溶液冷却至室温；
步骤(5)，溶液冷却后，使用巴氏吸管吸取少量溶液均匀涂覆于载玻片表面，将载玻片中心固定在匀胶机上，设置匀胶机以超过50r/min的转速旋转预定时间；
步骤(6)，旋转结束后将载玻片放在60℃以上真空干燥箱中烘干预定时间，制得薄厚均匀的石墨烯薄膜。
进一步的根据本发明所述的可调超高重频超短脉冲光纤激光器，其中所述石墨烯薄膜通过以下方式连接于所述环形光纤激光腔内：将环形光纤激光腔内的单模光纤截断并在两端头分别熔接第一光纤跳线头和第二光纤跳线头，用镊子夹取一块石墨烯薄膜并将其放在第一光纤跳线头的输出端面，然后用连接法兰连接第一光纤跳线头和第二光纤跳线头，连接完成后，位于第一光纤跳线头内部的单模光纤端面紧贴石墨烯薄膜的一侧表面，位于第二光纤跳线头内部的单模光纤端面紧贴石墨烯薄膜的另一侧表面，第一光纤跳线头和第二光纤跳线头通过连接法兰紧密连接。
进一步的根据本发明所述的可调超高重频超短脉冲光纤激光器，其中所述M-Z子腔包括第一光耦合器7、第二光耦合器10、第一光纤臂、第二光纤臂、第一偏振控制器8和光延时器9，所述第一光耦合器7具有第一输入端、第一输出端和第二输出端，所述第二光耦合器10具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一光耦合器7的第一输入端连接于环形光纤激光腔的单模光纤，所述第一光耦合器7的第一输出端连接于第一光纤臂的一端，所述第一光纤臂的另一端连接于第二光耦合器10的第一输入端，所述第一偏振控制器8设置于所述第一光纤臂上，所述第一光耦合器7的第二输出端连接于第二光纤臂的一端，所述第二光纤臂的另一端连接于第二光耦合器10的第二输入端，所述光延时器9设置于所述第二光纤臂上，所述第二光耦合器10的第一输出端连接于环形光纤激光腔的单模光纤，所述第二光耦合器10的第二输出端作为环形光纤激光腔的输出端。
进一步的根据本发明所述的可调超高重频超短脉冲光纤激光器，其中所述第一光耦合器7为1×2的光耦合器，且其第一输出端和第二输出端的输出耦合比40％:60％；所述第二光耦合器7为2×2的光耦合器，且其第一输入端和第二输入端的输入耦合比以及第一输出端和第二输出端的输出耦合比均为50％:50％，所述第一光纤臂和第二光纤臂均为单模光纤。
进一步的根据本发明所述的可调超高重频超短脉冲光纤激光器，其中所述光延时器包括入光端21、出光端22和反射镜23，所述入光端21和出光端22连接于所述第二光纤臂，所述反射镜23的位置能够进行平移，并将经入光端入射的光束反射向出光端，通过调节所述反射镜23的位置来改变第一光纤臂和第二光纤臂之间的光程差。
进一步的根据本发明所述的可调超高重频超短脉冲光纤激光器，其中所述泵浦源包括第一泵浦源1和第二泵浦源5，所述波分复用器包括第一波分复用器2和第二波分复用器4，所述第一泵浦源1经所述第一波分复用器耦合于所述环形光纤激光腔，所述第二泵浦源5经所述第二波分复用器耦合于所述环形光纤激光腔，所述增益光纤设置于所述第一波分复用器2和第二波分复用器4之间。
进一步的根据本发明所述的可调超高重频超短脉冲光纤激光器，其中所述环形光纤激光腔还包括光隔离器6和第二偏振控制器12，所述光隔离器6设置于所述第二波分复用器和M-Z子腔的第一光耦合器7之间，所述可饱和吸收体11设置于所述第一波分复用器和M-Z子腔的第二光耦合器10之间，所述第二偏振控制器12设置于所述可饱和吸收体11和第二光耦合器10之间。
一种基于本发明所述可调超高重频超短脉冲光纤激光器产生超高重频超短脉冲激光的方法，包括以下步骤：
步骤一、将M-Z子腔的第二光耦合器的第二输出端连接光谱仪14和自相关仪15；
步骤二、将第一泵浦源和第二泵浦源同时打开，使用光谱仪和自相关仪分别监测光谱和波形；
步骤三、不断调节M-Z子腔中的光延时器来改变M-Z子腔第一光纤臂和第二光纤臂之间的光程差ΔL，直至在光谱仪上出现梳状光谱图像；
步骤四、当出现梳状光谱时，仔细调节第一偏振控制器和第二偏振控制器来改变M-Z子腔和环形光纤激光腔中的偏振态，直至在自相关仪上观察到高重频激光轨迹；
步骤五、然后保持泵浦功率不变不断调节光延时器使光程差ΔL逐渐减小，继续调节第一偏振控制器和第二偏振控制器，直至获得自相关曲线与梳状光谱。
通过本发明的技术方案至少能够达到以下创新技术效果：
1)、本发明首次使用二维材料(石墨烯，黑鳞，MoS2等以及SESAM均可)作为可饱和吸收体并结合M-Z子腔结构在环形光纤激光谐振腔内基于协同作用来产生超高重频、超短脉冲激光输出，提出了一种全新结构的超高重频超短脉冲激光产生装置；
2)、本发明首创的将二维材料作为可饱和吸收体引入环形光纤激光器中用来产生超短光脉冲和高重频激光，并首创了这种应用于光纤激光器中的二维材料的制作方法；
3)、本发明首次将马赫曾德尔(M-Z)子腔结合于环形光纤激光腔中，并通过调节M-Z子腔两臂之间长度差来调节所产生激光的重频，长度差越小可获得的重频就越高，且重复频率在0.1～11.11THz之间可调，而且即使功率较高，整个系统也可稳定运行，不会造成器件损坏，并且首次实现了重复频率在11.11THz以上的高重复频率与脉冲宽度在31.81fs的超短脉冲激光输出，比目前已知的最高重频提高了一个量级；
4)本发明所述装置整体结构制作简单，成本低廉，可以用作产生波长可调的THz辐射激励源，具有广泛的推广应用前景。
附图说明
附图1为应用于本发明所述光纤激光器中的二维材料-石墨烯的SEM扫描电镜图；
附图2为本发明所述光纤激光器的结构原理图；
附图3为本发明所述光纤激光器中光延时器的结构原理图；
附图4为二维材料作为可饱和吸收体在环形光纤激光腔中的插入结构示意图；
附图5为基于本发明所述光纤激光器获得的自相关曲线与梳状光谱图；
附图6为基于附图5的自相关曲线拟合得到的脉冲宽度表征示意图。
图中各附图标记的含义如下：
1-第一泵浦源，2-第一波分复用器，3-增益光纤，4-第二波分复用器，5-第二泵浦源，6-光隔离器，7-第一光耦合器，8-第一偏振控制器，9-光延时器，10-第二光耦合器，11-可饱和吸收体，12-第二偏振控制器，13-第三光耦合器，14-光谱仪，15-自相关仪，16-第一光纤跳线头，17-第二光纤跳线头，18-连接法兰，19-石墨烯薄膜，20-单模光纤，21-入光端，22-出光端，23-反射镜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。
本发明将二维材料作为可饱和吸收体引入环形光纤激光器中用来产生超短光脉冲和高重频激光，首先，描述作为本发明中可饱和吸收体的二维材料。本发明中采用二维材料作为可饱和吸收体，置入M-Z结构作为子腔的光纤激光器中的方法来产生高重频激光。二维材料具有其出色的光、电和化学特性，被普遍应运于超快光子学和非线性光子学领域，基于二维材料制造的可饱和吸收特性和非线性光学特性，将其置于激光谐振腔内可实现对激光的高重频调制，产生超高重频的超短脉冲输出。在二维材料中，石墨烯具有独特的零带隙的线性能带结构，这使得任意波长的光子都能被石墨烯吸收，另外超强的载流子带间跃迁和超快的弛豫过程使石墨烯可以作为产生超短光脉冲及高重频激光的理想可饱和吸收体。
本发明的具体实施方案中优选的采用石墨烯二维材料作为可饱和吸收体，其中的石墨烯二维材料具有薄膜结构，薄膜厚度3-8微米，优选的为5μm，薄膜的透光率60-90％，优选的为62.8％，薄膜含有的石墨烯层数为1-30层，优选的含有20层石墨烯。
本发明所述石墨烯二维材料薄膜的具体制作过程如下：
首先使用电子天平称量2mg石墨烯粉末，再用量筒量取40ml去离子水将石墨烯溶于其中搅拌均匀，石墨烯水溶液浓度为0.05mg/ml。
接着，将所得的石墨烯水溶液倒入小烧杯中，将溶液使用超声破碎机破碎30min。破碎期间将小烧杯放置在一个装有冰水的容器中，每隔10分钟更换一次冰水保证石墨烯溶液温度不高于50℃。
然后，在破碎完成之后，由于溶液中的石墨烯处于分散状态还未开始沉积，此时将一个磁子置入烧杯中并将烧杯放在加热磁力搅拌器上，将搅拌器温度设置为75℃开始加热石墨烯溶液。加热的同时启动搅拌器使磁子不停的搅拌溶液，在溶液中插入温度计监测溶液实时温度。
接着再称取2g聚乙烯醇(PVA)粉末，由于PVA在温度高于75℃时会成为胶状物质，因此可以用其来制备胶状薄膜。当溶液温度达到75℃时，将PVA粉末加入石墨烯溶液中并使PVA浓度控制在0.05g/ml，此时继续加热来维持溶液温度，另外加大搅拌力度持续搅拌约20min，直至溶液变得均匀且粘稠后停止加热和搅拌，待其冷却至室温。
冷却后，使用巴氏吸管吸取少量溶液均匀涂满2cm*2cm的载玻片表面，之后将载玻片中心固定在匀胶机上。匀胶机可以通过高速旋转使载玻片上的胶状溶液形成厚度均匀的薄膜，设置匀胶机先以50r/min的低转速运行5s，紧接着以500r/min的高转运行10s。
旋转结束后将载玻片放在60℃的真空干燥箱中烘干20min，此时制得薄厚均匀的石墨烯二维材料薄膜，使用时取部分薄膜撕下即可。
通过测试，该薄膜的透光率为62.8％，而单层石墨烯的透光率为97.7％，由此可以得出该薄膜中大约含有20层石墨烯。附图1(a)为对溶液中的石墨烯进行SEM扫描所获得的结果，图1(b)为对所制薄膜的侧面进行SEM扫描，可以看得薄膜的厚度约为5μm。
本发明所述的基于二维材料与M-Z子腔协同作用产生可调超高重频超短脉冲激光的光纤激光器具体的如附图2所示，包括第一泵浦源1、第一波分复用器2、增益光纤3、第二波分复用器4、第二泵浦源5、光隔离器6、第一光耦合器7、第一偏振控制器8、光延时器9、第二光耦合器10、可饱和吸收体11、第二偏振控制器12、第三光耦合器13、光谱仪14和自相关仪15，如图2所示的光路图，本发明使用普通单模光纤(SMF)制备一个环形光纤激光腔，然后在环形腔内加入M-Z子腔以实现高重频激光的获得，环形激光腔总长约为8m，而M-Z子腔的长度需远大于工作波长的长度，由于普通激光的工作波长在微米或亚微米量级，因此实际操作中M-Z子腔的长度一般符合该条件。第一、二泵浦源(Pump)1、5分别采用连续激光器，作为本发明的优选实施方式，使用两个工作波长优选为980nm的连续激光器作为第一、二泵浦源(Pump)1、5，分别通过两个波分复用器(WDM)即第一波分复用器2和第二波分复用器4将泵浦激光耦合进环形光纤激光腔内，两个WDM之间加入一段长度优选为1.4m的增益光纤3，所述增益光纤3优选的为工作波长在1550nm的高掺型掺铒光纤(EDF)，耦合进环形腔的980nm泵浦激光对该EDF进行泵浦激励，产生光纤激光振荡，优选的为匹配高掺型掺铒光纤1550nm的工作波长和对应泵浦源980nm的工作波长，所述第一、二波分复用器的工作波长选择为980nm/1550nm。进一步的在环形激光腔内加入一个工作波长为1550nm的光隔离器(ISO)6保证光的单向传输。本发明创新的在环形光纤激光腔内引入马赫曾德尔子腔即M-Z子腔，具体的通过第一光耦合器7、第二光耦合器10和两段单模光纤组成M-Z子腔，其中第一光耦合器7为一个1×2的光耦合器(OC)，两个输出端的耦合比40％:60％；第二光耦合器10为一个2×2的光耦合器OC，耦合比为50％:50％；在第一光耦合器7的40％耦合端通过第一单模光纤连接于第二光耦合器10的第一耦合输入端，并在所述第一单模光纤上设置有第一偏振控制器8，共同构成M-Z子腔的第一臂；在第一光耦合器7的60％耦合端通过第二单模光纤连接于第二光耦合器10的第二耦合输入端，并在所述第二单模光纤上连接有光延时器9，共同构成M-Z子腔的第二臂，通过光延时器9来改变M-Z子腔的第一臂与第二臂之间的光程差，以达到满足M-Z子腔的工作条件。为匹配优选的高掺型掺铒光纤1550nm的工作波长，所述第一光耦合器7和第二光耦合器10的工作波长均在1550nm附近。本发明在M-Z子腔的第二臂上设置有光延时器9(OTDL)，由于光延时器OTDL在1550nm波段附近存在约1.8dBm的插入损耗，因此为了保证M-Z子腔两臂的光强接近，选择将该第二臂连接于第一光耦合器7的60％的耦合输出端，以通过该臂60％的耦合来补偿光延时器OTDL的插入损耗。本发明通过光延时器来改变光在该臂中的光程、进而改变第一臂与第二臂之间的光程差，所述的光延时器结构如附图3所示，包括入光端21、出光端22和反射镜23，所述反射镜23为平面反射镜且其位置能够进行平移，且不论反射镜平移到哪个位置，入光端入射的光束经反射镜23后被反射至出光端输出。所述入光端21和出光端22分别耦合于M-Z子腔第二臂的单模光纤，来自单模光纤的光从入光端入射后，经反射镜反射后从出光端22输出并耦合至单模光纤，通过调节反射镜23的位置即可改变光在其中的传输距离，进而改变光在M-Z子腔第二臂的光程。另外所使用的OTDL的调节范围为10cm，因此M-Z子腔两臂光纤的长度差应在0～10cm的光程之内来确保OTDL可以达到所需的调节效果。在M-Z子腔的第一臂加入的偏振控制器(PC)能够用来调节该臂的偏振状态。所述第二光耦合器10的两个输出端耦合输出比例也为50％：50％，一个耦合输出端引出环形腔外，接在光谱仪14和/或自相关仪15上监测光谱信号或脉冲信号。另一端耦合接入环形光纤激光腔内的单模光纤上，并在该环形激光腔内的单模光纤上设置有-第二偏振控制器12，该第二偏振控制器12和M-Z子腔中的第一偏振控制器8分别调节环形光纤激光腔和M-Z子腔中的偏振状态。
进一步的本发明创新的在环形光纤激光腔内插入由二维材料构成的可饱和吸收体，所述的二维材料为基于石墨烯、黑鳞、MoS2等形成的薄膜材料，优选的所述二维材料为石墨烯薄膜，所述二维材料通过附图4所示的方式结合于环形光纤激光腔，首先所述二维材料结合于环形光纤激光腔中位于第一波分复用器和第二偏振控制器之间的单模光纤段，具体的结合方式为：将该段单模光纤截断并在两端头分别熔接光纤跳线头，如附图4所示的第一光纤跳线头16和第二光纤跳线头17，每个光纤跳线头内部固设有单模光纤20，用镊子夹取一小块此前制备好的石墨烯薄膜19放在其中一个跳线头的输出端面，保证单模光纤端面可以被石墨烯薄膜完全覆盖，之后小心地用连接法兰18连接两个光纤跳线头，防止石墨烯薄膜脱落，连接完成后，位于第一光纤跳线头16内部的单模光纤端面紧贴石墨烯薄膜一侧表面，位于第二光纤跳线头17内部的单模光纤端面紧贴石墨烯薄膜的另一侧表面，第一光纤跳线头和第二光纤跳线头通过连接法兰18紧密连接。优选的所述第一光纤跳线头和第二光纤跳线头的前端外侧形成有外螺纹，所述法兰具有套筒结构并在套筒内侧形成有内螺纹。本发明通过这种创新结构将作为二维材料的石墨烯薄膜结合于环形光纤激光腔中，并由石墨烯薄膜作为环形光纤激光腔的可饱和吸收体(SA)。
本发明进一步给出基于所述可调超高重频超短脉冲激光的光纤激光器产生可调超高重频超短脉冲激光的方法，具体的过程为：在附图2所示的光路搭建好后，将两个第一、二泵浦源1,5同时打开，泵浦功率均设置为300mW，使用光谱仪14和自相关仪15分别监测光谱和波形。M-Z子腔主要起光谱滤波的作用，不断调节光延时器9(OTDL)中的反射镜位置来改变M-Z子腔两臂之间的光程差(ΔL)，当ΔL在光延时器9可调节的10cm光程之内时便可以在光谱仪上出现梳状光谱的图像。这是由于符合λ＝ΔL/2m的波长会形成光谱的峰，而符合λ＝ΔL/(2n+1)的波长则形成光谱的谷，其中m和n均为任意整数。任取两个相邻整数m和m+1，其对应的λ1与λ2的差值Δλ≈λ2/ΔL，其中λ＝λ1+λ2/2，由此可以看出梳状光谱的相邻峰值间隔Δλ可以通过改变ΔL来改变，即可以由光延时器9控制。当出现梳状光谱时，仔细调节第一偏振控制器8和第二偏振控制器12来改变M-Z子腔和光纤环形腔中的偏振态，当M-Z子腔两臂中光的偏振态达到一致产生干涉，再经过石墨烯薄膜在光纤环形腔内通过饱和吸收特性调制激光纵模特性，提高激光器输出纵模的边模抑制比，便可在自相关仪上清楚观察到高重频激光轨迹。之后保持泵浦功率不变不断调节光延时器9使ΔL逐渐减小，继续调节第一偏振控制器8和第二偏振控制器12来获得如图5为表征波形的自相关曲线与梳状光谱。激光的重复频率Δυ可以从自相关曲线的两峰间距ΔT推算出来，通过调整ΔL也可以改变Δυ的大小，具体关系为Δυ＝c/ΔL，其中c为光在真空中的传播速度，可以看出随着ΔL的减小，Δυ会不断增大。调节光延时器9使Δλ增大至6.06nm时，此时将两个泵浦功率均设置为400mW以此来产生更高重频的激光。根据上述公式计算，此时Δλ＝6.06nm时Δυ应为740GHz，但实际的Δυ为计算值的15倍。这是由于基频激光的能量并不是可以无限增加的，当功率增加到一定量时，会有能量分散到其他模式上，形成新的脉冲，这使此前的每个独立的峰劈裂为15个小峰。图5(a)-(d)为Δυ分别为110.25GHz，196.08GHz，425.53GHz，11.11THz时的自线关曲线；(e)-(h)分别为在(a)-(d)状态下所采集的梳状光谱，对应的ΔL分别为2.72mm，1.53mm，0.71mm，0.404mm。我们把图5(a)-(d)的激光分别取一个脉冲进行拟合，测量其脉冲宽度，所得结果如图6所示，可以看出在重频为11.11THz时，我们可以获得脉冲宽度为31.81fs的超短脉冲输出。
本发明创新的在环形光纤激光腔中加入M-Z子腔，并使用石墨烯薄膜作为可饱和吸收体，最终得到高重复频率超短脉冲激光的输出。通过多次重复试验研究结果表明，本发明的技术方案中激光的重复频率可以通过调节光延时器OTDL在很大范围内实现连续调节，并随着重复频率的提高，激光脉冲宽度也在不断减小，这是现有技术中使用微环子腔和F-P子腔来产生高重频激光所不具备的优势。最终基于本发明的技术方案通过光延时器OTDL改变M-Z子腔两臂的光程差，可以得到重复频率高达11.11THz的高重频、脉冲宽度为31.81fs的超短脉冲激光，具有广阔的推广应用前景。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。
Claims (10)
1.一种可调超高重频超短脉冲光纤激光器，其特征在于，包括：泵浦源、波分复用器、单模光纤、增益光纤、可饱和吸收体和M-Z子腔，所述单模光纤、增益光纤、M-Z子腔和可饱和吸收体连接形成环形光纤激光腔，所述泵浦源通过所述波分复用器耦合于所述环形光纤激光腔，所述可饱和吸收体采用二维薄膜材料制作，所述M-Z子腔与所述可饱和吸收体协同作用产生大于0.1THz的超高重频激光输出。
2.根据权利要求1所述的可调超高重频超短脉冲光纤激光器，其特征在于，所述可饱和吸收体为石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜的厚度为3-8微米，透光率为60-90％，含有的石墨烯层数为1-30层。
3.根据权利要求2所述的可调超高重频超短脉冲光纤激光器，其特征在于，所述石墨烯薄膜的制备方法包括以下步骤：
步骤(1)，称量一定量的石墨烯粉末，量取一定体积的去离子水，将石墨烯粉末溶于去离子水中并搅拌均匀形成石墨烯水溶液，石墨烯水溶液浓度处于0.02-0.1mg/ml；
步骤(2)，将所得的石墨烯水溶液倒入小烧杯中，使用超声破碎机破碎预定时间，破碎期间保证石墨烯水溶液温度不高于50℃；
步骤(3)，破碎完成之后，将一个磁子置入盛有石墨烯水溶液的小烧杯中并将小烧杯放在加热磁力搅拌器上，将搅拌器的温度设置为75-100℃，开始加热石墨烯溶液，加热的同时使磁子不停的搅拌溶液；
步骤(4)，称取预定量的聚乙烯醇粉末，并将聚乙烯醇粉末加入石墨烯溶液中，并控制其浓度为0.02-0.1g/ml，继续加热来维持溶液温度，另外加大搅拌力度持续搅拌直至溶液变得均匀且粘稠后停止加热和搅拌，然后将溶液冷却至室温；
步骤(5)，溶液冷却后，使用巴氏吸管吸取少量溶液均匀涂覆于载玻片表面，将载玻片中心固定在匀胶机上，设置匀胶机以超过50r/min的转速旋转预定时间；
步骤(6)，旋转结束后将载玻片放在60℃以上真空干燥箱中烘干预定时间，制得薄厚均匀的石墨烯薄膜。
4.根据权利要求2或3所述的可调超高重频超短脉冲光纤激光器，其特征在于，所述石墨烯薄膜通过以下方式连接于所述环形光纤激光腔内：将环形光纤激光腔内的单模光纤截断并在两端头分别熔接第一光纤跳线头和第二光纤跳线头，用镊子夹取一块石墨烯薄膜并将其放在第一光纤跳线头的输出端面，然后用连接法兰连接第一光纤跳线头和第二光纤跳线头，连接完成后，位于第一光纤跳线头内部的单模光纤端面紧贴石墨烯薄膜的一侧表面，位于第二光纤跳线头内部的单模光纤端面紧贴石墨烯薄膜的另一侧表面，第一光纤跳线头和第二光纤跳线头通过连接法兰紧密连接。
5.根据权利要求1-4任一项所述的可调超高重频超短脉冲光纤激光器，其特征在于，所述M-Z子腔包括第一光耦合器(7)、第二光耦合器(10)、第一光纤臂、第二光纤臂、第一偏振控制器(8)和光延时器(9)，所述第一光耦合器(7)具有第一输入端、第一输出端和第二输出端，所述第二光耦合器(10)具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一光耦合器(7)的第一输入端连接于环形光纤激光腔的单模光纤，所述第一光耦合器(7)的第一输出端连接于第一光纤臂的一端，所述第一光纤臂的另一端连接于第二光耦合器(10)的第一输入端，所述第一偏振控制器(8)设置于所述第一光纤臂上，所述第一光耦合器(7)的第二输出端连接于第二光纤臂的一端，所述第二光纤臂的另一端连接于第二光耦合器(10)的第二输入端，所述光延时器(9)设置于所述第二光纤臂上，所述第二光耦合器(10)的第一输出端连接于环形光纤激光腔的单模光纤，所述第二光耦合器(10)的第二输出端作为环形光纤激光腔的输出端。
6.根据权利要求5所述的可调超高重频超短脉冲光纤激光器，其特征在于，所述第一光耦合器(7)为1×2的光耦合器，且其第一输出端和第二输出端的输出耦合比40％:60％；所述第二光耦合器(7)为2×2的光耦合器，且其第一输入端和第二输入端的输入耦合比以及第一输出端和第二输出端的输出耦合比均为50％:50％，所述第一光纤臂和第二光纤臂均为单模光纤。
7.根据权利要求5所述的可调超高重频超短脉冲光纤激光器，其特征在于，所述光延时器包括入光端(21)、出光端(22)和反射镜(23)，所述入光端(21)和出光端(22)连接于所述第二光纤臂，所述反射镜(23)的位置能够进行平移，并将经入光端入射的光束反射向出光端，通过调节所述反射镜(23)的位置来改变第一光纤臂和第二光纤臂之间的光程差。
8.根据权利要求1-7任一项所述的可调超高重频超短脉冲光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源包括第一泵浦源(1)和第二泵浦源(5)，所述波分复用器包括第一波分复用器(2)和第二波分复用器(4)，所述第一泵浦源(1)经所述第一波分复用器耦合于所述环形光纤激光腔，所述第二泵浦源(5)经所述第二波分复用器耦合于所述环形光纤激光腔，所述增益光纤设置于所述第一波分复用器(2)和第二波分复用器(4)之间。
9.根据权利要求8所述的可调超高重频超短脉冲光纤激光器，其特征在于，所述环形光纤激光腔还包括光隔离器(6)和第二偏振控制器(12)，所述光隔离器(6)设置于所述第二波分复用器和M-Z子腔的第一光耦合器(7)之间，所述可饱和吸收体(11)设置于所述第一波分复用器和M-Z子腔的第二光耦合器(10)之间，所述第二偏振控制器(12)设置于所述可饱和吸收体(11)和第二光耦合器(10)之间。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述可调超高重频超短脉冲光纤激光器产生超高重频超短脉冲激光的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将M-Z子腔的第二光耦合器的第二输出端连接光谱仪(14)和自相关仪(15)；
步骤二、将第一泵浦源和第二泵浦源同时打开，使用光谱仪和自相关仪分别监测光谱和波形；
步骤三、不断调节M-Z子腔中的光延时器来改变M-Z子腔第一光纤臂和第二光纤臂之间的光程差ΔL，直至在光谱仪上出现梳状光谱图像；
步骤四、当出现梳状光谱时，仔细调节第一偏振控制器和第二偏振控制器来改变M-Z子腔和环形光纤激光腔中的偏振态，直至在自相关仪上观察到高重频激光轨迹；
步骤五、然后保持泵浦功率不变不断调节光延时器使光程差ΔL逐渐减小，继续调节第一偏振控制器和第二偏振控制器，直至获得自相关曲线与梳状光谱。
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