CN111961300B - 一种基于二硫化钽的可饱和吸收体及其制备方法和激光锁模应用 - Google Patents

一种基于二硫化钽的可饱和吸收体及其制备方法和激光锁模应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于光纤激光器技术领域，公开了一种基于二硫化钽的可饱和吸收体及其制备方法和激光锁模应用。该方法是将二硫化钽纳米片分散液与聚乙烯醇水溶液混合，形成二硫化钽/聚乙烯醇复合薄膜；将二硫化钽/聚乙烯醇复合薄膜裁剪成小片转移到光纤跳线端面，并与另一光纤跳线用光纤套管连接起来，形成基于二硫化钽的可饱和吸收体。本发明的锁模激光器包括泵浦源、波分复用器、掺杂光纤、单模光纤、光隔离器、光纤耦合器、偏振控制器和二硫化钽的可饱和吸收体，构成环形腔激光器。本发明中的二硫化钽可饱和吸收体具有良好的稳定性，不易被氧化，可长时间用于激光锁模，且基于该材料的锁模激光性能稳定。

Description

一种基于二硫化钽的可饱和吸收体及其制备方法和激光锁模 应用
技术领域
本发明属于被动锁模光纤激光器技术领域，更具体地，涉及一种基于二硫化钽的可饱和吸收体及其制备方法和激光锁模应用。
背景技术
超短脉冲(皮秒及飞秒量级)激光相对于传统的长脉冲(微秒及纳秒量级)的激光，在使用过程中对加工材料周围基本不会造成任何的热损伤，是一种超精密无损加工工具，因此超短脉冲激光在精密加工、手术医疗、科研等领域具有重要的研究和应用价值。尤其是超短脉冲光纤激光器，其具有结构简单、出光性能稳定、免维护、易携带等多重优势，已成为各行各业的优选高科技工具。
被动锁模是一种可用于产生超短脉冲激光的方法，其基本原理是在光路中加入饱和吸收体，光源通过饱和吸收体之后，边翼部分的损耗大于中央部分，导致光脉冲变窄，从而产生超短脉冲激光。由此可见，可饱和吸收体是超短脉冲激光最重要的零部件。目前，锁模激光器中使用较多的仍是半导体可饱和吸收镜(SESAM)，但是SESAM还是存在很多几乎不可克服的问题，如在制备方法上，SESAM通常是采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)法制备，不仅制作工艺复杂，而且必须基于昂贵的超净室制造系统，同时，性能上还存在工作波长范围窄(<100nm)、恢复时间长、调制深度难以调控、光损伤阈值低等诸多问题。因此，需要寻找一种能够替代SESAM的可饱和吸收体材料成为了超短脉冲激光领域的研究热点。TaS2是一种新型的层状二维金属材料，损伤阈值高，容易实现锁模，产生超短脉冲激光，由于其独特的温度可调电荷密度波引起了研究人员的极大兴趣。其金属特性暗示其具有超快的载流子恢复时间，在超快光学领域有很大应用潜力。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，提供一种基于二硫化钽的可饱和吸收体的制备方法。
本发明的另一目的在于提供上述方法制得的基于二硫化钽的可饱和吸收体。
本发明的再一目的在于提供上述基于二硫化钽的可饱和吸收体的应用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种基于二硫化钽的可饱和吸收体的制备方法，包括如下具体步骤：
S1.将二硫化钽粉末加入乙醇溶液中超声剥离，得到二硫化钽分散液，再将该分散液离心，除去未被有效剥离的二硫化钽，获得二硫化钽纳米片分散液；
S2.将二硫化钽纳米片分散液和聚乙烯醇溶液混合均匀，在40～60℃干燥，形成二硫化钽/聚乙烯醇复合薄膜；
S3.将二硫化钽/聚乙烯醇复合薄膜裁剪成小片将其转移到光纤跳线端面，并与另一光纤跳线用光纤套管连接起来，形成基于二硫化钽的可饱和吸收体。
优选地，步骤S1中所述二硫化钽粉末的质量和乙醇溶液的体积比为(1～10)mg：50mL。
优选地，步骤S1中所述乙醇溶液中无水乙醇和水的体积比为1：(0.25～0.5)。
优选地，步骤S1中所述超声的功率为300～400W，所述超声剥离的时间为3～10h，所述离心的速率为1000～5000rpm，所述离心的时间为5～10min。
优选地，步骤S2中所述二硫化钽纳米片分散液和聚乙烯醇溶液的体积比为(1～5)：(1～5)；所述聚乙烯醇溶液的浓度为3～10wt％。
优选地，步骤S2中所述干燥的时间为15～20h。
一种基于二硫化钽的可饱和吸收体，所述可饱和吸收体是由上述的方法制得。
一种锁模光纤激光器，所述锁模光纤激光器包括所述的可饱和吸收体、泵浦源、波分复用器、镱掺杂光纤、光隔离器、单模光纤、光纤耦合器和偏振控制器。
进一步地，所述波分复用器包括第一输入端和第二输入端；光纤耦合器包括90％输出端和10％输出端；所述泵浦源、波分复用器的第一输入端、镱掺杂光纤、光隔离器、单模光纤、光纤耦合器90％输出端、偏振控制器、基于二硫化钽的可饱和吸收体依次相连，所述基于二硫化钽的可饱和吸收体与波分复用器的第二输入端连环形成环形腔结构。
所述的锁模光纤激光器在手术医疗或精密加工领域中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明中的基于二硫化钽的可饱和吸收体具有良好的稳定性，不易被氧化，可长时间用于激光锁模，且基于该材料的锁模激光性能稳定。
2.本发明采用液相剥离法制备的TaS2，工艺简单，可大规模生产，有利于商业化。
3.本发明使用时只需要将TaS2薄膜转移到光纤连接头的端面即可，操作方便，而且整个激光光路系统都是在光纤内部运行的，不受外界环境的干扰，性能非常稳定。
附图说明
图1为实施例1中采用液相剥离法所制备的TaS2纳米片的TEM照片。
图2为实施例3中基于TaS2可饱和吸收体的环形腔锁模光纤激光器结构示意图。
图3为实施例3中的基于TaS2可饱和吸收体的锁模光纤激光器的脉冲序列图。
图4为实施例3中的基于TaS2可饱和吸收体的锁模光纤激光器的光谱图。
图5为实施例3中的基于TaS2可饱和吸收体的锁模光纤激光器的单脉冲信号图。
图6为实施例3中的基于TaS2可饱和吸收体的锁模光纤激光器的射频频谱图。
图7为实施例3中的基于TaS2可饱和吸收体的锁模光纤脉冲激光器的输出功率与泵功功率的关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
1.制备：
(1)将25mg二硫化钽粉末加入50mL乙醇/水(体积比1：0.25)混合溶液中，在高功率(400W)超声波清洗机中超声剥离10h，得到二硫化钽分散液，再将该分散液在2000rpm转速下离心5min，除去未被有效剥离的二硫化钽，获得二硫化钽纳米片分散液；
(2)取3mL二硫化钽纳米片分散液，将其与2mL的3wt％聚乙烯醇(PVA)溶液混合均匀，然后在60℃干燥20h，形成二硫化钽/聚乙烯醇复合薄膜；
(3)二硫化钽/聚乙烯醇复合薄膜裁剪成2×2mm的小片，将其转移到光纤跳线端面，并将其与另一光纤跳线用光纤套管连接起来，形成基于二硫化钽的可饱和吸收体。
2.性能表征：图1为实施例1中采用液相剥离法所制备的TaS2纳米片的TEM照片。从图1可知，制备的二硫化钽纳米片大小约为200nm，形状不规则，还存在大量的小于1nm的二硫化钽量子点。
实施例2
与实施例1不同的在于：步骤(1)中所述二硫化钽粉末的质量和乙醇溶液的体积比为10mg：50mL；无水乙醇和水的体积比为1：0.5；所述超声的功率为300W，所述离心的速率为5000rpm；步骤(2)中所述聚乙烯醇溶液的浓度为10wt％，所述二硫化钽纳米片分散液和聚乙烯醇溶液的体积比为1：5。
实施例3
将实施例1制得的二硫化钽的可饱和吸收体、980nm的泵浦源、980/1064的波分复用器、镱掺杂光纤、光隔离器、单模光纤、光纤耦合器(将一束激光会分成两束激光，该两束光放入功率比值为90：10，即10％输出，90％继续在光路中循环)、偏振控制器制得环形腔结构的锁模光纤激光器，环形腔长为21m。
图2为实施例3中基于TaS2可饱和吸收体的环形腔锁模光纤激光器结构示意图。其中，1为泵浦源，2为波分复用器，3为镱掺杂光纤，4为光隔离器，5为单模光纤，6为光纤耦合器，7为偏振控制器，8为TaS2可饱和吸收体。由图2可知，用光纤熔接机将泵浦源1的输出端与波分复用器2的第一输入端相连，波分复用器2的输出端与镱掺杂光纤3的一端相连，镱掺杂光纤的另一端与光隔离器4输入端相连，光隔离器输4的出端与单模光纤5的一端相连，单模光纤5的另一端与光纤耦合器的90％输出端相连，光耦合器的输入端与偏振控制器7的一端相连，偏振控制器7的另一端与TaS2可饱和吸收体8的一端相连，可饱和吸收体8的另一端与波分复用器2的第二输入端相连。在光纤耦合器的输出端口连接相关仪器来测量光纤激光器的激光输出特性。
图3为实施例3中基于TaS2可饱和吸收体的锁模光纤激光器的脉冲序列图；由图3可知，可知腔内的锁模脉冲工作在一个相对稳定的状态下，脉冲间隔为104.3ns，相应的脉冲重复频率为9.58MHz。图4为实施例3中基于TaS2可饱和吸收体的锁模光纤激光器的光谱图；由图4可知，光谱的3dB带宽为0.72nm，中心波长为1060nm。图5为实施例3中基于TaS2可饱和吸收体的锁模光纤激光器的单脉冲信号图。由图5可知，脉冲宽度为573.5ps。图6为实施例3中基于TaS2可饱和吸收体的锁模光纤激光器的射频频谱图。由图6可知，脉冲的信噪比为40dB，表明脉冲信号非常稳定。图7为实施例3中基于TaS2可饱和吸收体的锁模光纤脉冲激光器的输出功率与泵功功率的关系图。由图7可知，随着泵浦功率的增加脉冲输出功率也逐渐增加，两种大致是一个线性变化关系。综上所述，本发明提供的锁模脉冲光纤激光器的脉冲重复频率为9.58MHz，脉冲宽度为573.5ps，脉冲信噪比可达到40dB，脉冲的稳定性良好。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种锁模光纤激光器，其特征在于，所述锁模光纤激光器包括基于二硫化钽的可饱和吸收体、泵浦源、波分复用器、镱掺杂光纤、光隔离器、单模光纤、光纤耦合器和偏振控制器；所述波分复用器包括第一输入端和第二输入端；所述泵浦源、波分复用器的第一输入端、镱掺杂光纤、光隔离器、单模光纤、光纤耦合器、偏振控制器、基于二硫化钽的可饱和吸收体依次相连，所述基于二硫化钽的可饱和吸收体与所述波分复用器的第二输入端连环形成环形腔结构；
其中，所述基于二硫化钽的可饱和吸收体的制备方法，包括如下具体步骤：
S1.将二硫化钽粉末加入乙醇溶液中超声剥离，得到二硫化钽分散液，再将该分散液离心，除去未被有效剥离的二硫化钽，获得二硫化钽纳米片分散液；所述二硫化钽粉末的质量和乙醇溶液的体积比为(1～10)mg：50mL；所述乙醇溶液中无水乙醇和水的体积比为1：(0.25～0.5)；
S2.将二硫化钽纳米片分散液和聚乙烯醇溶液混合均匀，经干燥15～20h，形成二硫化钽/聚乙烯醇复合薄膜；所述二硫化钽纳米片分散液和聚乙烯醇溶液的体积比为(1～5)：(1～5)；所述聚乙烯醇溶液的浓度为3～10wt％；
S3.将二硫化钽/聚乙烯醇复合薄膜裁剪成小片将其转移到光纤跳线端面，并与另一光纤跳线用光纤套管连接起来，形成基于二硫化钽的可饱和吸收体。
2.根据权利要求1所述的锁模光纤激光器，其特征在于，步骤S1中所述超声的功率为300～400W，所述超声剥离的时间为3～10h，所述离心的速率为1000～5000rpm，所述离心的时间为5～10min。
3.权利要求1或2所述的锁模光纤激光器在手术医疗或精密加工领域中的应用。
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