CN111463651A - 一种超短脉冲光纤激光器工作波长的调谐方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超短脉冲光纤激光器工作波长的调谐方法，属于脉冲激光技术领域，具体涉及一种基于金纳米棒材料可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器的工作波长调谐方法。具体地是将金纳米棒与D形光纤结合制备出金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体，将可饱和吸收体置于环形激光腔中，用于实现锁模激光输出，金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体置于温控平台上，通过改变平台温度，可调控其吸收强度及吸收峰位置。由于激光器结构不变，输出激光重复频率基本保持不变。

Description

一种超短脉冲光纤激光器工作波长的调谐方法
技术领域
本发明属于脉冲激光技术领域，具体涉及一种超短脉冲光纤激光器工作波长的调谐方法。
背景技术
超短脉冲光纤激光器具有峰值功率高、稳定性好、光束质量好、工作稳定可靠、输出控制方便、环境适应性强等特点，近年来已成为激光技术领域的热门研究内容之一。根据调制方式的不同，可分类为主动锁模光纤激光器和被动锁模光纤激光器。与主动锁模光纤激光器相比，被动锁模具有结构简单紧凑、输出激光的脉冲宽度窄(可达飞秒量级)等优点。被动锁模通常利用可饱和吸收效应实现。金纳米材料是一种新型的可饱和吸收体，其具有较高的非线性系数、较快的恢复时间等优点。基于金纳米棒特殊吸收光谱特性，即其吸收峰(表面等离激元共振峰)位置由长径比大小决定，利用具有不同长径比的金纳米棒作为可饱和吸收体和实现可见-近红外光波段锁模脉冲激光输出。目前利用金纳米棒轴向等离共振效率相关的可饱和吸收特性，目前已实现～1微米、～1.5微米和～2微米波段的锁模脉冲激光输出。
对于被动锁模光纤激光器，输出激光一般具有固定的工作波长、重复频率和脉冲宽度。对于光谱学、光学测量等领域应用，常需要工作波长可调谐超短脉冲激光器。以往实现波长调谐通常为在激光腔内加入可调谐滤波器件实现，但这不仅增大激光器系统的复杂性，而且由于腔结构参数也随之变化，常伴随激光重复频率等参数的变化，给数据分析带来干扰。因此，为满足应用需求，探索新的超短脉冲光纤激光器工作波长调谐方法具有非常重要的意义。
发明内容
为了克服现有技术中调谐锁模光纤激光器工作波长所面临的问题，本发明提供一种在不改变激光腔结构的前提下，通过改变金纳米棒可饱和吸收体温度，实现被动锁模光纤激光器工作波长调谐的方法。本发明是利用金纳米棒轴向等离激元共振效应实现可饱和吸收。通过改变金纳米棒周围环境温度，可改变金纳米棒表面自由电子分布状态，进而实现对等离激元共振吸收强度和吸收峰位置的调控，达到调控基于金纳米棒可饱和吸收体锁模光纤激光器工作波长的目的。利用该方法可在不改变激光腔结构的前提下，实现对被动锁模光纤激光器工作波长的调控。
本发明通过如下技术方案实现：
一种超短脉冲光纤激光器工作波长的调谐方法，具体地是将金纳米棒与D形光纤结合制备出金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体，将可饱和吸收体置于环形激光腔中，用于实现锁模激光输出，金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体置于温控平台上，通过改变平台温度，可调控其吸收强度及吸收峰位置。
进一步地，所述改变平台温度的范围为-20～60℃。
进一步地，所述金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：首先将浓度为0.2M的十六烷基三甲基溴化铵溶液、浓度为0.034M的氯金酸溶液和浓度为0.5mM的硼氢化钠溶液按照一定比例混合后，置于60℃的水浴环境下搅拌制成种子液；然后将浓度为0.15M的十六烷基三甲基溴化铵溶液、浓度为37.5％的盐酸、浓度为0.4mM的硝酸银溶液和浓度为0.034M的氯金酸溶液按照一定比例混合后，置于在60℃的水浴环境下搅拌30分钟后，加入与混合溶液体积比为1:300～600，浓度为0.65mM的抗坏血酸溶液，制成生长液；最后向生长液中加入种子液，二者体积比约为300～600:1，搅拌均匀后置于30℃恒温避光环境静置一段时间后可得金纳米棒混合溶液；从其中取5mL溶液置于离心管中，在5000-10000转每分钟的速度下离心10分钟，取其中沉淀分散在去离子水中，继续离心，如此反复清洗三次，得到金纳米棒水溶液；
步骤2：将步骤1制备的金纳米棒材料与水以摩尔比25～50:10000的比例混合，超声分散10～20分钟；然后将包层剥离长度为18mm，剥离深度为56μm的D形光纤放置在平整的硅片表面；最后取分散好的金纳米棒水溶液涂在光纤的D形区域，置于真空密闭干燥环境自然干燥，从而制备得到金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体。
通过改变盐酸用量比例、硝酸银溶液用量比例、种子液用量比例以及静置时间等参数，可制备出具有不同长径比(对应不同轴向等离共振吸收峰)的金纳米棒材料。
进一步地，步骤1所述的十六烷基三甲基溴化铵溶液、氯金酸溶液及硼氢化钠溶液按照体积比为18～22:3～7:1混合，所述十六烷基三甲基溴化铵溶液盐酸、硝酸银溶液及氯金酸溶液按照130～170:1:0～20:120～160的体积比混合后，
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1、本发明通过改变可饱和吸收体的环境温度条件对其进行调控，实现对等离激元共振吸收强度和吸收峰位置的调控，达到调控基于金纳米棒可饱和吸收体锁模光纤激光器工作波长的目的。该方法未在腔内引入如可调谐滤波器的额外调制器件，使得可调谐激光器结构紧凑，操作简单，成本低廉。
2、本发明采用的金纳米棒材料具有覆盖可见到中红外波段的宽带可饱和吸收特性，该方法适用于研制不同波段的波长可调谐锁模光纤激光器。
3、本发明的金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体具有较高的激光损伤阈值，基于本方法可实现具有较高功率的可调谐飞秒激光输出。
附图说明
图1：变温金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体结构示意图；
图2：长径比为3～8的金纳米棒材料的透射电镜照片及吸收光谱；
图3：金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体插入损耗随温度变化关系曲线；
图4：不同温度下的金纳米棒/D形光纤可饱和吸收特性曲线；
图5：工作波长为～2μm的锁模光纤激光器结构示意图；
图6：室温下～2μm锁模光纤激光器输出激光光谱图；
图7：室温下～2μm锁模光纤激光器输出激光脉冲序列；
图8：室温下～2μm锁模光纤激光器输出激光单脉冲轮廓曲线；
图9：不同温度条件下～2μm锁模光纤激光器输出激光光谱图；
图10：输出～2μm锁模光纤激光激光中心波长随温度变化关系；
图中：泵浦源1、波分复用器2、增益光纤3、隔离器4、变温金纳米棒/D形光纤可饱和体5、D形光纤51，金纳米棒52，温控平台53、偏振控制器6、分束器7。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1
变温金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体制备：
金纳米棒采用晶种法合成，首先将20mL浓度为0.2M的十六烷基三甲基溴化铵溶液、5mL浓度为0.034M的氯金酸溶液和1mL浓度为0.5mM的硼氢化钠溶液置于60℃的水浴环境下搅拌制成种子液；然后将31.25mL浓度为0.15M的十六烷基三甲基溴化铵溶液、0.226mL37.5％的盐酸、2mL浓度为0.4mM的硝酸银溶液和31.47mL浓度为0.034M的氯金酸溶液同样在60℃的水浴环境下搅拌30分钟后，加入0.15mL浓度为0.65mM的抗坏血酸溶液，制成生长液；最后向生长液中加入0.2mL的种子液，搅拌1分钟后置于30℃恒温避光环境中24小时，制得金纳米棒混合溶液。从其中取5mL溶液置于离心管中，在5000-10000转每分钟的速度下离心10分钟，取其中沉淀分散在去离子水中，继续离心，如此反复清洗三次，得到长径比为3-8的金纳米棒水溶液。
图2为所述金纳米棒的透射电镜照片及吸收光谱，金纳米棒直径约为12nm，长度变化范围为45～93nm。金纳米棒的吸收光谱有两个吸收峰，一个位于532nm处，主要是由于金纳米棒径向的表面等离激元共振吸收峰引起的；另一个位于900nm处，主要是由于金纳米棒轴向的表面等离激元共振吸收峰引起的。金纳米棒薄膜的吸收光谱覆盖800nm到>3000nm，这主要是由于多个相邻金纳米棒耦合导致的。
将金纳米棒材料与水以摩尔比38:10000的比例混合，超声分散10～20分钟；然后将包层剥离长度为18mm，剥离深度为56μm的D形光纤放置在平整的硅片表面；最后取分散好的金纳米棒水溶液涂在光纤的D形区域，置于真空密闭干燥环境自然干燥，从而制备得到金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体。最后将金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体置于温控平台上，如图1所示。图中51为D形光纤，52为上述金纳米棒，涂覆在D形光纤表面，53为温控平台。
通过调节电流控制金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体的温度，温度调节范围为-15～55℃，如图3所示，随着温度的升高可将可饱和吸收体的插入损耗从1.745dB降低至1.695dB，。
图4给出了-15℃、25℃和55℃环境下测试的金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体的可饱和吸收特性曲线。通过实验与理论模拟，可知于～2μm波段，金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体在-15℃时饱和吸收强度为32.3MW/cm2，非饱和损耗为33.2％，调制深度为7％；25℃时饱和吸收强度为31.1MW/cm2，非饱和损耗为30.4％，调制深度为8.6％；55℃时饱和吸收强度为31MW/cm2，非饱和损耗为26.5％，调制深度为10.1％。由于温度变化影响金纳米棒向周围环境的散热速率，影响金纳米棒表面自由电子分布状态，随着温度的升高，可饱和吸收体的饱和强度及非饱和损耗呈下降趋势，调制深度有所提高。
实施例2锁模光纤激光器实验
图5为本发明实施例中所使用的锁模光纤激光器结构示意图，泵浦源1为工作波长为1570nm光纤激光器，泵浦光经1570/1980nm波分复用器2耦合进入环形激光腔，增益光纤3采用掺铥石英光纤，在～1.98μm处的群速度色散值为-12ps2/km，长度为20cm。隔离器4用于保持谐振腔内激光单向传输。装置5为变温金纳米棒/D形光纤可饱和体，通过调节偏振控制器6，实现锁模激光运转。10dB分束器7将激光输出。图6所示为室温下激光器输出激光光谱，中心波长为1962.5nm，3dB带宽为4.39nm。图7给出了相应的脉冲序列，相邻脉冲间隔36.36ns，重复频率为27.5MHZ。使用自相关仪测得输出激光的自相关曲线，如图8所示，单脉冲宽度为402fs。
实施例3工作波长可调谐锁模光纤激光实验
测试了金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体温度变化对激光器输出激光性能的影响。随着温度的升高，输出激光中心波长向着长波方向移动，如图9所示。图10给出了激光中心波长随温度变化关系。随着温度从-15℃升至55℃，激光工作波长从1961.5nm移动到1965.3nm，输出激光重复频率保持不变。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (4)

1.一种超短脉冲光纤激光器工作波长的调谐方法，其特征在于，具体地是将金纳米棒与D形光纤结合制备出金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体，将可饱和吸收体置于环形激光腔中，用于实现锁模激光输出，金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体置于温控平台上，通过改变平台温度，可调控其吸收强度及吸收峰位置。
2.如权利要求1所述的一种超短脉冲光纤激光器工作波长的调谐方法，其特征在于，所述改变平台温度的范围为-20～60℃。
3.如权利要求1所述的一种超短脉冲光纤激光器工作波长的调谐方法，其特征在于，所述金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：首先将浓度为0.2M的十六烷基三甲基溴化铵溶液、浓度为0.034M的氯金酸溶液和浓度为0.5mM的硼氢化钠溶液按照一定比例混合后，置于60℃的水浴环境下搅拌制成种子液；然后将浓度为0.15M的十六烷基三甲基溴化铵溶液、浓度为37.5％的盐酸、浓度为0.4mM的硝酸银溶液和浓度为0.034M的氯金酸溶液按照一定比例混合后，置于在60℃的水浴环境下搅拌30分钟后，加入与混合溶液体积比为1:300～600，浓度为0.65mM的抗坏血酸溶液，制成生长液；最后向生长液中加入种子液，二者体积比约为300～600:1，搅拌均匀后置于30℃恒温避光环境静置一段时间后可得金纳米棒混合溶液；从其中取5mL溶液置于离心管中，在5000-10000转每分钟的速度下离心10分钟，取其中沉淀分散在去离子水中，继续离心，如此反复清洗三次，得到金纳米棒水溶液；
步骤2：将步骤1制备的金纳米棒材料与水以摩尔比25～50:10000的比例混合，超声分散10～20分钟；然后将包层剥离长度为18mm，剥离深度为56μm的D形光纤放置在平整的硅片表面；最后取分散好的金纳米棒水溶液涂在光纤的D形区域，置于真空密闭干燥环境自然干燥，从而制备得到金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体。
4.如权利要求3所述的一种超短脉冲光纤激光器工作波长的调谐方法，其特征在于，步骤1所述的十六烷基三甲基溴化铵溶液、氯金酸溶液及硼氢化钠溶液按照体积比为18～22:3～7:1混合，所述十六烷基三甲基溴化铵溶液盐酸、硝酸银溶液及氯金酸溶液按照130～170:1:0～20:120～160的体积比混合。
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