CN111916981B - 一种二维材料集成结构锁模光纤激光器及其构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维材料集成结构锁模光纤激光器及其构建方法，包括依次设置的波分复用器、掺稀土离子增益光纤、第一偏振控制器、锁模器件、第二偏振控制器、偏振无关光隔离器、耦合器，并构成环形激光器谐振腔；还包括泵浦光源，所述泵浦光源与波分复用器的泵浦端相连；所述锁模器件为微光纤‑二维材料等离激元混合结构激光锁模器件；本发明该集成结构同时具有偏振器、宽带滤波器、高非线性克尔元件、非线性饱和吸收元件的特性和功能，器件可以同时利用三种机制锁模，输出状态多种可调；输出脉冲可达到飞秒量级。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光器及其构建方法，特别是涉及一种二维材料集成结构锁模光纤激光器及其构建方法。
背景技术
高重复频率脉冲光纤激光器在光通信、微波光子学、光学频率梳产生和光谱学等领域具有重要应用，传统提高锁模脉冲激光重复频率的方法包括主动锁模和缩短激光腔长，20世纪90年代以来通过耗散四波混频实现超高重复频率的锁模脉冲激光的方法得到发展，该方法目前主要是由光学梳状滤波器和高光学非线性器件组合来实现，但此方法激光腔内通常要使用数十至数百米的高非线性光纤，大大增加了激光腔内损耗，同时提高了输出高重复频率脉冲的成本；也有通过高品质因子的硅基光学微腔来实现四波混频，但硅基波导与光纤的耦合不可避免地会产生损耗，同时需采用光刻等微加工工艺，制备过程相对复杂。
发明内容
发明目的：本发明的目的之一是提供一种具有较高品质因子、方便携带的二维材料集成结构锁模光纤激光器，实现包括高重频脉冲在内多种工作状态的输出；本发明的另一个目的是提供该锁模光纤激光器的构建方法。
技术方案：本发明的二维材料集成结构锁模光纤激光器，包括依次设置的波分复用器、掺稀土离子增益光纤、第一偏振控制器、锁模器件、第二偏振控制器、偏振无关光隔离器、耦合器，连接方式为光纤熔接，构成环形激光器谐振腔；还包括泵浦光源，所述泵浦光源连接波分复用器的泵浦端，泵浦光源发出光通过波分复用器进入激光器谐振腔，通过调节泵浦光源的功率及旋转第一偏振控制器和第二偏振控制器上旋钮，产生稳定的脉冲激光，输出的激光通过耦合器抽运出激光谐振腔，所述锁模器件为微光纤-二维材料等离激元混合结构激光锁模器件。
所述泵浦光源、波分复用器、偏振无光光隔离器、耦合器为光纤器件，泵浦光源、波分复用器、偏振无关光隔离器、耦合器的尾纤优选为单模光纤。
所述泵浦光源发射光波长包含在掺稀土离子增益光纤吸收波长范围内。
所述微光纤-二维材料等离激元混合结构激光锁模器件包括基底、下封装层、二维材料薄膜、微光纤和上封装层，所述微光纤形成环形结光学谐振器且设置在二维材料薄膜的上表面，所述二维材料薄膜置于下封装层的上表面，所述下封装层下表面置于玻璃基底表面，所述上封装层对下封装层、二维材料薄膜、微光纤进行封装。其中，基底可选用玻璃基底。
所述封装层采用折射率低于石英光纤的聚合物，即上封装层和下封装层；优选为采用聚二甲基硅氧烷材料。
所述微光纤的腰部区域直径为2～10微米，长度为0.5～3厘米。
所述环形结光学谐振器中环的直径为100～5000微米。
所述二维材料薄膜的层数为单层或多层，二维材料包括但不限于石墨烯和过渡金属硫化物
所述上、下封装层的厚度为100～1000微米。
所述掺稀土离子增益光纤为掺镱、掺铒或掺铥光纤，优选掺铒单模光纤。
本发明还提出了一种二维材料集成结构锁模光纤激光器的构建方法，包括以下步骤：
S1：拉制微光纤：利用局部加热拉伸或者腐蚀的方法；
S2：制作微光纤环形结谐振器：结合精密电控位移台，将微光纤绕成环形结结构；
S3：在玻璃基底表面覆盖上一层聚合物膜作为下封装层；
S4：将二维材料薄膜转移到下封装层上表面；
S5：放置微光纤环形结谐振器：通过精密三维调节台将微光纤环形结光学谐振器放置到二维材料薄膜上表面；
S6：封装：对S5制备得到的结构加覆上封装层进行封装固化，得到微光纤-二维材料等离激元混合结构激光锁模器件；
S7：构建锁模光纤激光器：按照泵浦光源、波分复用器、掺稀土离子增益光纤、第一偏振控制器、微光纤-二维材料等离激元混合结构激光锁模器件、第二偏振控制器、偏振无关光隔离器、耦合器依次通过光纤熔接方式形成一个环形激光谐振腔，构建成基于微光纤-二维材料等离激元混合结构器件的多功能锁模脉冲激光器。
优选地，所述微光纤为普通单模光纤制成。
波导与二维材料表面等离激元结合是光电子学领域的一个重要研究进展，描述了当二维材料与光波导结合后的现象，即波导中的横磁场模式与二维材料薄膜表面等离激元相互作用产生杂化等离激元，从而使得波导中的横磁场减弱，这一过程使得波导与二维材料集成结构具有较强的偏振依赖特性，将这一特性应用到激光谐振腔中进行偏振选择，产生光强大的通过、光弱的被损耗的饱和吸收效果；同时，石墨烯等二维材料的能带特点决定了该材料本身也具有饱和吸收特性；此外微光纤和二维材料的高光学非线性为实现耗散四波混频提供了条件。三种机制同时作用实现被动锁模激光器，将产生丰富的输出状态。
发明原理：本发明中的二维材料集成结构锁模光纤激光器锁模原理为：将微光纤环形结谐振器贴放在二维材料薄膜表面上后，微光纤中的横磁模式与二维材料表面等离激元相互作用形成杂化等离激元模式，在外界微扰作用下光纤中模式发生变化，使得二维材料薄膜表面等离激元发生作用的横磁模式也发生变化，经历较大损耗，而横电模则不与二维材料薄膜耦合正常传输，这使得微光纤-二维材料等离激元混合结构激光锁模器件形成一个具有较大偏振对比度的起偏器，将该锁模器件置于环形激光谐振腔后，与偏振控制器的组合引入了非线性偏振旋转的饱和吸收效应；同时二维材料材料本身也具有可饱和吸收特性。二者结合使得腔内纵模相位锁定产生传统孤子锁模或者谐波锁模脉冲序列。这将大大增加腔内的瞬时功率。继续提高泵浦光源功率，在高瞬时功率和高品质因子环形结谐振器增强效应的作用下，具有较高非线性的二维材料和微光纤环形结谐振器产生耗散四波混频效应，将由谐振腔谐振模式决定的输出波长相位锁定，实现高重复频率的脉冲激光输出，重复频率由环形谐振器的自由光谱范围FSR决定。
本发明首次提出将微光纤结形谐振器附着到二维材料薄膜表面并完整封装应用于激光器的器件，使该器件同时具有偏振、饱和吸收和高非线性三重特性；二维材料的饱和吸收特性有利于锁模激光器的自启动，不需要外部人工调校光路只需要调节泵浦功率就可以实现初级脉冲的输出；和传统利用饱和吸收体的脉冲激光器不同，本发明的器件拥有很强的偏振特性，可以在激光器内产生非线性偏振旋转效应，而这一效应相比于单纯的材料的饱和吸收更有利于产生小于1ps的fs量级激光脉冲；更重要的是，半径很细的微光纤具有比较高的非线性，二维材料也具有很高的光学非线性，二者结合使得该器件具有高非线性，从而在激光器中产生耗散四波混频效应，这是高重频脉冲产生的直接原因，也是本器件不同于普通饱和吸收材料的最大特点。
本发明的微光纤-二维材料薄膜侧面集成结构锁模光纤激光器，该集成结构同时具有偏振器、宽带滤波器、高非线性克尔元件、非线性饱和吸收元件的特性和功能。
本发明可以同时利用三种机制锁模，输出状态多种可调；输出脉冲可达到飞秒量级；锁模光纤激光器采用全光纤光路设计，光路内无分离光学元件，结构简单，对外界电磁干扰具有良好的抵抗性，比较稳定；使用一整块完整的二维材料薄膜与微光纤侧面集成，损耗低、易实现工艺的标准化、可以实现外部电信号的有效连接和调控。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)锁模器件制备工艺简明；
(2)锁模光纤激光器采用全光纤光路设计，光路内无分离光学元件，结构简单，对外界电磁干扰具有良好的抵抗性，比较稳定；
(3)锁模器件集可饱和吸收体、起偏器、梳状滤波器与光学高非线性的特性于一身，集成度高，体积小，构建成的锁模光纤激光器方便携带，便于封装在较小体积的激光器样机内；
(4)锁模光纤激光器具有传统孤子、谐波锁模、超高重复频率输出多种稳定输出状态，易于实现锁模运转的自启动，功能多样可调。在超高重复频率输出状态，脉冲的重复频率通过改变微光纤环形结谐振器的环直径大小进行调整，同时输出脉冲宽度可达飞秒数量级，是一种新型的光学微光纤和耗散四波混频的高重复频率飞秒锁模脉冲激光器。
附图说明
图1为本发明锁模光纤激光器结构示意图；
图2为本发明微光纤-二维材料等离激元混合结构激光锁模器件结构示意图和实物照片；其中，(a)为二维结构示意图，(b)为三维结构示意图，(c)为实物照片；
图3为本发明实施例输出的传统孤子的光谱、时域信号与自相关信号；其中，(a)为输出的传统孤子的光谱图，(b)为时域信号图，(c)为自相关信号图；脉冲重频为15.5MHz，脉宽3.44ps；
图4为本发明实施例输出的谐波锁模的光谱、时域信号与自相关信号；其中(a)为谐波锁模的光谱图，(b)为时域信号图，(c)为自相关信号图；脉冲重频为140MHz，对应9阶谐波锁模，脉宽1.45ps；
图5为本发明实施例输出的超高重频脉冲的光谱、时域信号与自相关信号；其中(a)为超高重频脉冲的光谱图，(b)为时域信号图，(c)为自相关信号图。脉冲重频为27.7GHz，脉宽为259fs。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。
如图1，本实施例的二维材料集成结构锁模光纤激光器，包括依次设置的泵浦光源8、波分复用器1、掺稀土离子增益光纤2、第一偏振控制器3、锁模器件4、第二偏振控制器5、偏振无关光隔离器6、耦合器7，连接方式为光纤熔接，构成环形激光器谐振腔，泵浦光源8发出光通过波分复用器1进入激光器谐振腔，通过调节泵浦光源8的功率及旋转第一偏振控制器3和第二偏振控制器5上旋钮，产生不同工作状态的稳定的脉冲激光，输出的激光通过耦合器7抽运出激光谐振腔，锁模器件4为微光纤-二维材料等离激元混合结构激光锁模器件。
泵浦光源8、波分复用器1、偏振无关光隔离器6、耦合器7的尾纤选用普通单模光纤，泵浦光源8发射光波长包含在掺稀土离子增益光纤2吸收波长范围内。具体的掺稀土离子增益光纤2选用掺铒单模光纤。
如图2，微光纤-二维材料等离激元混合结构激光锁模器件包括玻璃基底、下封装层44、二维材料薄膜43、微光纤和上封装层42，微光纤形成环形结光学谐振器41且设置在二维材料薄膜43的上表面，二维材料薄膜43置于下封装层44的上表面，下封装层下表面置于玻璃基底表面，上封装层42对下封装层44、二维材料薄膜43、微光纤进行封装。
本实施例中的二维材料集成结构锁模光纤激光器的构建方法，包括以下步骤：
S1：拉制微光纤：利用局部加热拉伸或者腐蚀的方法；
S2：制作微光纤环形结谐振器41：结合精密电控位移台，将微光纤绕成环形结结构；
S3：在玻璃基底表面覆盖上一层聚合物膜作为下封装层44；
S4：将二维材料薄膜43转移到下封装层44上表面；
S5：放置微光纤环形结谐振器41：通过精密三维调节台将微光纤环形结光学谐振器41放置到二维材料薄膜43的上表面；
S6：封装：对步骤S5制备得到的结构加覆上封装层42进行封装固化，得到微光纤-二维材料等离激元混合结构激光锁模器件；
S7：构建锁模光纤激光器：按照泵浦光源8、波分复用器1、掺稀土离子增益光纤2、第一偏振控制器3、微光纤-二维材料等离激元混合结构激光锁模器件、第二偏振控制器5、偏振无关光隔离器6、耦合器7依次通过光纤熔接方式形成一个环形激光谐振腔，构建成基于微光纤-二维材料等离激元混合结构器件的多功能锁模脉冲激光器。
所述微光纤为普通单模光纤制成，选用SMF-28。
上封装层42和下封装层44选用聚二甲基硅氧烷材料，微光纤的腰部区域选用直径为2.5微米，二维材料薄膜43的层数选用3～4层，本实施例中的二维材料薄膜43为石墨烯；上封装层42的厚度选用为1000微米，下封装层44的厚度选用为500微米，环形结光学谐振器41中环的直径为100～5000微米。
通过上述方法构建的锁模光纤激光器，将耦合器7的输出端连接至光谱仪、光电探测器与示波器、自相关仪，使用时，打开泵浦光源8，升高功率至锁模阈值，观察信号，调整第一偏振控制器3和第二偏振控制器5的旋转角度至有稳定脉冲形成，得到的传统孤子锁模输出见图3，其中，(a)为输出的传统孤子的光谱图，(b)为时域信号图，(c)为自相关信号图；脉冲重频为15.5MHz，脉宽3.44ps；进一步调整第一偏振控制器3和第二偏振控制器5的旋转角度，得到谐波锁模输出见图4，其中(a)为谐波锁模的光谱图，(b)为时域信号图，(c)为自相关信号图；脉冲重频为140MHz，和图3比较可知对应9阶谐波锁模，脉宽1.45ps；继续升高泵浦功率，得到重复频率与环形谐振器的自由光谱范围FSR相对应的数十GHz级超高重频飞秒锁模脉冲，见图5，其中(a)为超高重频脉冲的光谱图，(b)为时域信号图，(c)为自相关信号图。脉冲重频为27.7GHz，脉宽为259fs，实现了高重频飞秒脉冲的输出。上述图中的脉宽数据均是由自相关信号经过sech2函数拟合得到。
Claims (7)
1.一种二维材料集成结构锁模光纤激光器，其特征在于：包括依次设置的波分复用器（1）、掺稀土离子增益光纤（2）、第一偏振控制器（3）、锁模器件（4）、第二偏振控制器（5）、偏振无关光隔离器（6）、耦合器（7），并构成环形激光器谐振腔；还包括泵浦光源（8），所述泵浦光源（8）与波分复用器（1）的泵浦端相连；所述锁模器件（4）为微光纤-二维材料等离激元混合结构激光锁模器件，所述激光器同时具有偏振器、宽带滤波器、高非线性克尔元件、非线性饱和吸收元件的特性，具有输出传统孤子锁模、谐波锁模、耗散四波混频锁模三种不同的锁模运转模式的功能，所述微光纤-二维材料等离激元混合结构激光锁模器件包括基底、下封装层（44）、二维材料薄膜（43）、微光纤和上封装层（42），所述微光纤形成微光纤环形结谐振器（41）并设置于二维材料薄膜（43）的上表面，所述二维材料薄膜（43）下表面置于下封装层（44）的上表面，下封装层（44）下表面置于玻璃基底表面，所述上封装层（42）对下封装层（44）、二维材料薄膜（43）、微光纤进行封装。
2.根据权利要求1所述的二维材料集成结构锁模光纤激光器，其特征在于：所述二维材料薄膜的层数为单层或多层。
3.根据权利要求1所述的二维材料集成结构锁模光纤激光器，其特征在于：所述二维材料薄膜为石墨烯或过渡金属硫化物。
4.根据权利要求1所述的二维材料集成结构锁模光纤激光器，其特征在于：上封装层（42）和下封装层（44）的厚度为100~1000微米。
5.根据权利要求1所述的二维材料集成结构锁模光纤激光器，其特征在于：所述上封装层（42）、下封装层（44）采用折射率低于石英光纤的聚合物。
6.根据权利要求1所述的二维材料集成结构锁模光纤激光器，其特征在于：所述二维材料集成结构锁模光纤激光器的构建方法包括以下步骤：
（1）拉制微光纤；
（2）制作微光纤环形结谐振器（41）；
（3）在基底表面覆盖上聚合物膜作为下封装层（44）；
（4）将二维材料薄膜（43）转移到下封装层的上表面；
（5）将微光纤环形结光学谐振器（41）放置到二维材料薄膜（43）上表面；
（6）封装：对步骤（5）制备得到的结构加覆上封装层（42），进行封装固化，得到微光纤-二维材料等离激元混合结构激光锁模器件；
（7）构建锁模光纤激光器：按照波分复用器（1）、掺稀土离子增益光纤（2）、第一偏振控制器（3）、微光纤-二维材料等离激元混合结构激光锁模器件、第二偏振控制器（5）、偏振无关光隔离器（6）、耦合器（7）的顺序依次通过光纤熔接方式熔接成一个环形激光谐振腔，构建成基于微光纤-二维材料等离激元混合结构器件的多功能锁模脉冲激光器。
7.根据权利要求6所述的二维材料集成结构锁模光纤激光器，其特征在于：所述微光纤采用普通单模光纤制成。
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