CN112563873B - 一种可饱和吸收体的制备方法及多模光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可饱和吸收体的制备方法及多模光纤激光器。通过熔融拉锥法将普通多模光纤拉锥成微纳光纤，然后再使用光学沉积法将石墨烯沉积到多模微纳光纤表面上，从而制备成石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体；同时，提供了基于该可饱和吸收体的全光纤结构多模光纤激光器，实现了脉冲能量为311.0nJ的高能量调Q锁模脉冲输出；本发明的多模光纤激光器具有全光纤结构、输出脉冲能量高和体积小等优点，而激光腔中使用的石墨烯包覆多模微纳光纤则具有饱和功率高、调制深度高、制作简单和成本低等优点。

Description

一种可饱和吸收体的制备方法及多模光纤激光器
技术领域
本发明涉及激光技术和非线性光学技术领域，具体涉及一种可饱和吸收体的制备方法及多模光纤激光器。
背景技术
高能量光纤激光器由于其在遥感、测距、医疗和激光加工等领域具有非常广泛的应用而备受关注。调Q和锁模是产生脉冲激光的两种主要方法，而调Q锁模则是处于两者之间的中间状态，其显著的特点就是其脉冲序列是由锁模脉冲序列被周期性调Q脉冲序列调制。与锁模脉冲相比，调Q锁模脉冲具有能量高和重频可调的优点。目前大多数调Q锁模脉冲都是由包含各类可饱和吸收体的被动调制技术产生。作为可饱和吸收体中的一种，石墨烯由于其独特的电子结构，具有波长无关的超宽带可饱和吸收效应、超快恢复时间等优点，从而被广泛应用于被动调制技术中。此外，基于石墨烯优良的光学特性，石墨烯包覆单模微纳光纤的可饱和吸收体已经被提出，这种可饱和吸收体具有较高损伤阈值等优点。但是，由于单模光纤的模场面积比较小，导致其能承受的非线性效应有限，进而导致单模光纤激光器的输出脉冲能量也受到了限制。因此，多模光纤被建议用于激光器中以提升光纤激光器的输出脉冲能量，理论上，多模光纤激光器的输出脉冲能量可以比单模光纤激光器高3个量级以上[Nat.Phys.16,565(2020)]，但目前所获得的脉冲能量几乎都限制在三十纳焦以下，如在先技术之一，利用空间光路的非线性偏振旋转锁模和色散管理技术获得的时空锁模脉冲能量为24纳焦[https://arxiv.org/pdf/2005.06761]。而基于全光纤结构的普通多模光纤激光器获得的脉冲能量则更低，如在先技术之二[https://arxiv.org/pdf/2010.11501]。多模光纤激光器的高能量脉冲直接输出的先天优势并未得到充分的体现，因此需要进一步提高多模光纤激光器的输出脉冲能量，以拓展其应用领域。同时，如果采用全光纤结构的多模光纤激光器，能更好地兼容后续与光纤有关的应用，激光器的结构也更为简单、紧凑。
发明内容
有鉴于此，为了解决当前单模光纤激光器和多模光纤激光器输出脉冲能量低的问题，本发明提出一种可饱和吸收体的制备方法及多模光纤激光器，实现高能量脉冲激光输出。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一方面，本发明提供一种石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体，包括：多模微纳光纤和通过光学沉积法沉积在其上面的石墨烯沉积层。
进一步地，所述多模微纳光纤是由纤芯直径为50微米或62.5微米的普通渐变折射率多模光纤通过熔融拉锥法拉锥至直径为4-20微米而来的。
另一方面，本发明提供一种石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体的制备方法，包含如下步骤：
步骤一、将渐变折射率多模光纤剥去涂覆层后采用熔融拉锥法拉锥成多模微纳光纤；
步骤二、将超声作用后的石墨烯/二甲基甲酰胺分散液滴在所述多模微纳光纤上，通过光学沉积法将石墨烯沉积到多模微纳光纤表面，从而制备成可饱和吸收体。
进一步地，所述石墨烯/二甲基甲酰胺分散液的浓度为0.05-0.25mg/ml。
再一方面，本发明提供一种全光纤结构高能量调Q锁模多模光纤激光器，包括：泵浦源和谐振腔，其中，谐振腔内包含所述石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体。
进一步地，所述谐振腔为环形腔，包括泵浦合束器、增益光纤、第一偏振控制器、石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体、光耦合器、偏振无关隔离器和第二偏振控制器；通过依次连接泵浦合束器、增益光纤、第一偏振控制器、石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体、光耦合器、偏振无关隔离器、第二偏振控制器和泵浦合束器形成环形腔；泵浦源则通过泵浦合束器的另一端连接进入谐振腔，而光耦合器的另一端则作为激光腔的输出。
进一步地，所述增益光纤为掺镱少模光纤，纤芯直径为10-20微米，包层直径为125微米。
进一步地，所述泵浦合束器与增益光纤、第二偏振控制器连接的两根尾纤皆为少模光纤，纤芯直径为10-20微米，包层直径为125微米，而与泵浦源连接的多模光纤，其纤芯直径为105微米，包层直径为125微米；谐振腔内其余所使用的光纤都是渐变折射率多模光纤，纤芯直径为50微米或62.5微米，包层直径为125微米。
进一步地，所述泵浦源的工作波长为980nm。
进一步地，所述光耦合器的耦合比为90:10，其中10％端作为输出端。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
(1)本发明的多模光纤激光器使用的石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体具有饱和功率高和调制深度高等优点，适合产生高能量脉冲；
(2)本发明的多模光纤激光器是全光纤结构，且具有重频可调、能量可调的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明光学沉积法沉积装置的示意图；
图2是本发明石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体的非线性可饱和吸收曲线图；
图3是本发明全光纤结构高能量调Q锁模多模光纤激光器的装置图；
图4是本发明全光纤结构高能量调Q锁模多模光纤激光器的输出脉冲图；
图5是本发明全光纤结构高能量调Q锁模多模光纤激光器的输出脉冲能量随泵浦功率的演化图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明提供一种石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体，包括：多模微纳光纤和通过光学沉积法沉积在其上面的石墨烯沉积层。
实施例2
本发明所述石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体的制备方法，包括如下步骤：
(1)将纤芯直径为50微米或62.5微米的普通渐变折射率多模光纤剥去涂覆层并用酒精擦拭干净，然后放在酒精灯上进行加热以通过熔融拉锥法将其拉锥至直径为4-20微米的多模微纳光纤。其中，将多模微纳光纤的输入端连接放大自发辐射光源，输出端连接光功率计，并在拉锥过程中打开放大自发辐射光源以通过功率计实时监测拉锥过程中的损耗，使损耗低于3dB；
(2)保持放大自发辐射光源和光功率计与多模微纳光纤的连接，同时将拉锥好的多模微纳光纤固定在载玻片上并放置在显微镜下，以实时监测光学沉积过程，实验装置如图1所示；
(3)将浓度为0.05mg/ml的石墨烯/二甲基甲酰胺溶液进行30分钟的超声作用以使石墨烯在溶液中分布均匀，然后再用滴管吸取适量的上述溶液滴在多模微纳光纤的锥区处，在放大自发辐射光源的光场作用下，石墨烯逐渐吸附在多模微纳光纤表面上。当损耗在6dB以下且显微镜下观察到的石墨烯沉积量适当时，关闭放大自发辐射光源并用注射器或吸水纸将锥区附近的剩余溶液吸干，待剩余溶液在室温下自然挥发完全后，则石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体制备完成。制备好的石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体的非线性可饱和吸收曲线如图2所示，调制深度约为37.90％。
实施例3
本发明的全光纤结构高能量调Q锁模多模光纤激光器为环形腔结构，如图3所示，通过依次连接泵浦合束器、增益光纤、第一偏振控制器、石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体、90:10光耦合器、偏振无关隔离器、第二偏振控制器和泵浦合束器形成环形腔。泵浦源则通过泵浦合束器的另一端连接进入谐振腔，而光耦合器的10％端口则作为激光腔的输出以监测激光腔的输出特性。
本实施例中，所述增益光纤为掺镱少模光纤，纤芯直径为10微米，包层直径为125微米。所述泵浦合束器与增益光纤、第二偏振控制器连接的两根尾纤皆为少模光纤，纤芯直径为10微米，包层直径为125微米，而与泵浦源连接的多模光纤，纤芯直径为105微米，包层直径为125微米。除了增益光纤和泵浦合束器尾纤外，谐振腔内其余所使用的光纤都是渐变折射率多模光纤，纤芯直径为62.5微米，包层直径为125微米。所述泵浦源的工作波长为980nm。
当泵浦功率增加到1.40W时，可以得到如图4所示的稳定调Q锁模脉冲。
保持第一偏振控制器和第二偏振控制器不变，增加泵浦功率，激光腔的输出脉冲能量的演化如图5所示。随着泵浦功率的增加，激光腔的输出脉冲能量逐渐增加，并且在泵浦功率为1.60W时，得到的最大输出脉冲能量为311.0nJ。
本发明的多模光纤激光器使用的石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体具有饱和功率高和调制深度高等优点，所以适合产生高能量脉冲；本发明的多模光纤激光器具有全光纤结构，且具有重频和能量可调的优点。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体的制备方法，所述石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体包括多模微纳光纤和通过光学沉积法沉积在其上面的石墨烯沉积层；其特征在于，所述制备方法包含如下步骤：
步骤一、将渐变折射率多模光纤剥去涂覆层后采用熔融拉锥法拉锥成多模微纳光纤；
步骤二、将超声作用后的石墨烯/二甲基甲酰胺分散液滴在所述多模微纳光纤上，通过光学沉积法将石墨烯沉积到多模微纳光纤表面，从而制备成可饱和吸收体。
2.根据权利要求1所述的石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体的制备方法，其特征在于，所述多模微纳光纤是由纤芯直径为50微米或62.5微米的普通渐变折射率多模光纤通过熔融拉锥法拉锥至直径为4-20微米而来的。
3.根据权利要求1所述的石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体的制备方法，其特征在于，所述石墨烯/二甲基甲酰胺分散液的浓度为0.05-0.25mg/ml。
4.一种全光纤结构高能量调Q锁模多模光纤激光器，其特征在于，包括：泵浦源和谐振腔，其中，谐振腔内包含石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体，所述石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体采用如权利要求1-3任一所述的制备方法制备的，所述石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体包括多模微纳光纤和通过光学沉积法沉积在其上面的石墨烯沉积层。
5.根据权利要求4所述的全光纤结构高能量调Q锁模多模光纤激光器，其特征在于，所述谐振腔为环形腔，包括泵浦合束器、增益光纤、第一偏振控制器、石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体、光耦合器、偏振无关隔离器和第二偏振控制器；通过依次连接泵浦合束器、增益光纤、第一偏振控制器、石墨烯包覆多模微纳光纤可饱和吸收体、光耦合器、偏振无关隔离器、第二偏振控制器和泵浦合束器形成环形腔；泵浦源则通过泵浦合束器的另一端连接进入谐振腔，而光耦合器的另一端作为激光腔的输出。
6.根据权利要求5所述的全光纤结构高能量调Q锁模多模光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤为掺镱少模光纤，纤芯直径为10-20微米，包层直径为125微米。
7.根据权利要求5所述的全光纤结构高能量调Q锁模多模光纤激光器，其特征在于，所述泵浦合束器与增益光纤、第二偏振控制器连接的两根尾纤皆为少模光纤，纤芯直径为10-20微米，包层直径为125微米，而与泵浦源连接的另一端则为多模光纤，纤芯直径为105微米，包层直径为125微米；谐振腔内其余所使用的光纤都是渐变折射率多模光纤，纤芯直径为50微米或62.5微米，包层直径为125微米。
8.根据权利要求5所述的全光纤结构高能量调Q锁模多模光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源的工作波长为980nm。
9.根据权利要求5所述的全光纤结构高能量调Q锁模多模光纤激光器，其特征在于，所述光耦合器的耦合比为90:10，其中10％端作为输出端。
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