CN114604830A - 一种基于二硒化钯可饱和吸收体的孤子锁模光纤激光器 - Google Patents
一种基于二硒化钯可饱和吸收体的孤子锁模光纤激光器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于二硒化钯可饱和吸收体的孤子锁模光纤激光器，包括一种二硒化钯可饱和吸收体的制备方法和一种传统孤子和耗散孤子锁模光纤激光器。将二硒化钯‑聚乙烯醇分散液涂覆在一段固定于玻璃片上的锥形光纤上，并加热一段时间形成二硒化钯‑聚乙烯醇薄膜将锥形光纤包覆起来，以作为可饱和吸收体。本发明的传统孤子和耗散孤子锁模光纤激光器包括激光二极管泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、两个偏振控制器、偏振无关隔离器、二硒化钯可饱和吸收体、输出耦合器和单模光纤。通过调整环形谐振腔内单模光纤的长度改变腔的净色散，当环形腔的净色散为反常色散腔时，激光器实现传统孤子锁模，当环形腔为正常色散腔时，激光器实现耗散孤子锁模。本发明激光器的这两种孤子锁模操作都具有优异的输出性能。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体为一种二硒化钯可饱和吸收体的制备方法和一种孤子锁模光纤激光器。
背景技术
超快锁模光纤激光器因其在通信、生物光子学、光化学等领域的广泛应用而受到广泛研究。迄今为止，主动锁模技术和被动锁模技术已被广泛用于实现超快锁模操作。与主动锁模相比，被动锁模以其环境稳定性、免对准和无需调制器的紧凑设计等特性而闻名。目前，各种可饱和吸收体如单壁碳纳米管、半导体可饱和吸收镜、石墨烯、氧化石墨烯和量子点等已被广泛研究用于锁模光纤激光器。其中，受到石墨烯的启发，其它二维纳米材料(例如拓扑绝缘体、过渡金属二硫化物、黑磷等)也进行了相关研究。
二硒化钯作为一种过渡金属二硫化物，表现出优异的宽可调带隙特性。如此宽的可调带隙表明二硒化钯可用于设计具有宽吸收带的直接吸收超快光子器件，而这些器件很少用其它二维材料所实现。二硒化钯的晶胞具有五边形结构，这种结构会使材料具有各向异性行为的显著光学特性，为新型多样化光子器件的设计提供了必要的物理基础。迄今为止，基于二硒化钯的具有可调双极特性的场效应晶体管和高灵敏度、空气稳定的红外光电探测器已被制造。然而，二硒化钯的超快非线性光学特性有待进一步研究，探索二硒化钯的超快应用将促进高效二维材料光子学器件的发展。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种二硒化钯可饱和吸收体的制备方法和一种孤子锁模光纤激光器，解决了背景技术中提到的问题。
一种二硒化钯可饱和吸收体的制备方法，具体方案为：具体步骤如下：
步骤1：将0.1g二硒化钯粉末加入100mL酒精(30％)中。浸泡48小时后，将混合溶液放入大功率超声波清洗机中剥离6小时。然后以2000rpm的速度离心30分钟后，得到分层的二硒化钯纳米片溶液；
步骤2：将4wt％的聚乙烯醇溶液加入二硒化钯纳米片溶液中，体积比为3:4，将混合好的二硒化钯-聚乙烯醇混合溶液放入超声波清洗机中剥离4小时，得到均匀的二硒化钯-聚乙烯醇分散液；
步骤3：将80μL的二硒化钯-聚乙烯醇分散液涂覆在固定于玻璃片上的锥形光纤上。之后，将涂覆的锥形光纤放入烘箱中以20℃的温度加热48小时，得到二硒化钯可饱和吸收体。
其中，优选的是，所述步骤1中二硒化钯的质量为0.1g，酒精的体积为100mL、浓度为30％，二硒化钯的浸泡时间为48小时，二硒化钯-酒精混合溶液超声剥离的时间为6小时、离心速度为2000rpm、离心时间为30分钟。
优选的是，所述步骤2中聚乙烯醇溶液的质量百分比为4wt％，聚乙烯醇溶液与二硒化钯纳米片溶液的体积比为3:4，二硒化钯-聚乙烯醇混合溶液超声剥离的时间为4小时。
优选的是，所述步骤3中二硒化钯-聚乙烯醇分散液的体积为80μL，涂覆的锥形光纤加热温度为20℃，加热时间为48小时。
一种孤子锁模光纤激光器，具体技术方案如下：
所述激光器包括激光二极管泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、偏振控制器一、偏振无关隔离器、单模光纤、二硒化钯可饱和吸收体、偏振控制器二和输出耦合器。
其中，优选的是，所述激光二极管泵浦源的中心波长为974nm；所述波分复用器包括980nm输入端和1550nm输入端，尾纤为普通单模光纤；所述掺铒光纤的型号为MP 980，长度为9.1m；所述输出耦合器包含10％输出端和90％输出端，尾纤为普通单模光纤；所述偏振控制器一、偏振控制器二和偏振无关隔离器的尾纤均为普通单模光纤。
优选的是，所述波分复用器的980nm输入端、波分复用器的输出端、掺铒光纤、偏振控制器一、偏振无关隔离器、单模光纤、可饱和吸收体、偏振控制器二、输出耦合器的输入端和输出耦合器的90％输出端依次相连构成所述激光器的环形谐振腔。其中，所述激光二极管泵浦源的泵浦激光由波分复用器的980nm输入端耦合进入环形谐振腔，所述激光器的输出由输出耦合器的10％输出端进行输出。
优选的是，所述激光器在不同的腔长下可以实现传统孤子锁模和耗散孤子锁模。当总腔长为26.65m时，腔内净色散为-0.15ps2，激光器环形谐振腔为反常色散腔，所述激光器可以实现传统孤子锁模；减少单模光纤(6)的长度使总腔长为12.61m时，腔内净色散为0.16ps2，激光器环形谐振腔为正常色散腔，所述激光器可以实现耗散孤子锁模。
优选的是，所述激光器在传统孤子锁模时，其传统孤子脉冲的中心波长为1533.61nm；所述激光器在耗散孤子锁模时，其耗散孤子脉冲的中心波长为1560.67nm。
本发明与现有技术相比具备以下有益效果：
1.本发明所制备的二硒化钯可饱和吸收体具有优异的超快吸收性能和非线性光学特性，并且制备方法简单、成本低，可广泛应用于超快光子器件；
2.本发明激光器具有传统孤子和耗散孤子两种锁模操作，且两种锁模均有优异的输出性能。在传统孤子锁模时，激光器的激光输出具有高输出功率和窄脉冲宽度的特点；在耗散孤子锁模时，激光器拥有基于二维材料的耗散孤子锁模操作中最高的平均输出功率和脉冲能量，并且具有宽光谱宽度，这表明本发明激光器具有通过腔外压缩获得飞秒级超快脉冲的能力；
3.本发明激光器结构简单、性能稳定，采用全光纤结构，通过调整插入腔内的单模光纤的长度实现两种锁模操作的切换。
附图说明
图1为本发明制备的二硒化钯纳米片的透射电子显微镜图像；
图2为本发明基于二硒化钯可饱和吸收体的传统孤子和耗散孤子锁模光纤激光器的结构示意图；
图3为本发明激光器的传统孤子锁模输出的光谱图；
图4为本发明激光器的传统孤子锁模输出的脉冲轨迹图；
图5为本发明激光器的传统孤子锁模输出的自相关轨迹图；
图6为本发明激光器的传统孤子锁模输出的射频频谱图；
图7为本发明激光器的耗散孤子锁模输出的光谱图；
图8为本发明激光器的耗散孤子锁模输出的脉冲轨迹图；
图9为本发明激光器的耗散孤子锁模输出的自相关轨迹图；
图10为本发明激光器的耗散孤子锁模输出的射频频谱图；
图中：1、激光二极管泵浦源；2、波分复用器；3、掺铒光纤；4、偏振控制器一；5、偏振无关隔离器；6、单模光纤；7、二硒化钯可饱和吸收体；8、偏振控制器二；9、输出耦合器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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
一种二硒化钯可饱和吸收体的制备方法，具体方案如下：具体步骤为：
步骤1：将0.1g二硒化钯粉末加入100mL酒精(30％)中。浸泡48小时后，将混合溶液放入大功率超声波清洗机中剥离6小时。然后以2000rpm的速度离心30分钟后，得到分层的二硒化钯纳米片溶液；
步骤2：将4wt％的聚乙烯醇溶液加入二硒化钯纳米片溶液中，体积比为3:4，将混合好的二硒化钯-聚乙烯醇混合溶液放入超声波清洗机中剥离4小时，得到均匀的二硒化钯-聚乙烯醇分散液；
步骤3：将80μL的二硒化钯-聚乙烯醇分散液涂覆在固定于玻璃片上的锥形光纤上。之后，将涂覆的锥形光纤放入烘箱中以20℃的温度加热48小时，得到二硒化钯可饱和吸收体。
图1为本发明制备的二硒化钯纳米片在20nm分辨率的透射电子显微镜图像，从图中可以看出，二硒化钯纳米片具有明显的层状结构。由于二硒化钯的非线性光学特性与层数相关，所以明显的层状结构可以高效地利用其非线性饱和吸收特性来实现锁模脉冲。
实施例2
如图2所示，一种孤子锁模光纤激光器，具体方案如下：
所述激光器包括激光二极管泵浦源1、波分复用器2、掺铒光纤3、偏振控制器一4、偏振无关隔离器5、单模光纤6、二硒化钯可饱和吸收体7、偏振控制器二8和输出耦合器9。
所述激光二极管泵浦源1的中心波长为974nm；所述波分复用器2包括980nm输入端和1550nm输入端，尾纤为普通单模光纤；所述掺铒光纤3的型号为MP 980，长度为9.1m；所述输出耦合器9包含10％输出端和90％输出端，尾纤为普通单模光纤；所述偏振控制器一4、偏振控制器二8和偏振无关隔离器5的尾纤均为普通单模光纤。
所述波分复用器2的980nm输入端、波分复用器2的输出端、掺铒光纤3、偏振控制器一4、偏振无关隔离器5、单模光纤6、二硒化钯可饱和吸收体7、偏振控制器二8、输出耦合器9的输入端和输出耦合器9的90％输出端依次相连构成所述激光器的环形谐振腔。其中，所述激光二极管泵浦源1的泵浦激光由波分复用器2的980nm输入端耦合进入环形谐振腔，所述激光器的输出由输出耦合器9的10％输出端进行输出。
本发明激光器具有传统孤子锁模和耗散孤子锁模两种锁模操作。
当所述激光器实现传统孤子锁模时，环形谐振腔的总腔长为26.65m，包含9.1m的掺铒光纤和17.55m的单模光纤，这里单模光纤的长度包含插入腔内的单模光纤6的长度和腔内器件尾纤的长度。经计算，腔的的净色散约为-0.15ps2，对应于反常色散区域，该环形腔为反常色散腔。当泵浦功率高于180mW时，通过调整偏振控制器一4和偏振控制器二8可得到稳定的传统孤子脉冲。图3至图6展示了传统孤子锁模的输出特性。如图3所示，传统孤子的中心波长为1533.61nm，3dB带宽为3.52nm，且凯利边带并不明显。凯利边带的形成是由于调制的不稳定性，这与腔的总激光增益、损耗和色散值有关，对于不同的腔，凯利边带表现出不同的特征。图4描绘了激光器的典型脉冲序列，脉冲到脉冲的间隔为129.71ns。图5提供了测得的自相关轨迹，脉冲为双曲正割型脉冲，脉冲宽度约为1.83ps，实际脉冲宽度约为1.19ps。如图6所示，其基频为7.71MHz，信噪比约为55dB，其插图为宽带射频频谱。这些结果都表明传统孤子锁模表现出很高的稳定性。
当所述激光器实现耗散孤子锁模时，环形谐振腔的总腔长为12.61m，包含9.1m的掺铒光纤和3.51m的单模光纤，这里单模光纤的长度包含插入腔内的单模光纤6的长度和腔内器件尾纤的长度。经计算，腔的的净色散约为0.16ps2，对应于正常色散区域，该环形腔为正常色散腔。当泵浦功率高于223mW时，通过调整偏振控制器一4和偏振控制器二8可得到稳定的耗散孤子脉冲。图7至图10展示了耗散孤子锁模的输出特性。如图7所示，耗散孤子的光谱具有陡峭的边缘，其中心波长为1560.67nm，3dB带宽为35.37nm。如图8所示，脉冲到脉冲的间隔约为61.39ns。如图9所示，脉冲宽度约为21.1ps，考虑到耗散孤子的高斯拟合，计算出的实际脉冲宽度约为14.92ps。如图10所示，耗散孤子的基频为16.29MHz，信噪比约为75dB，图10中的插图给出了耗散孤子的宽带射频频谱，同样表明耗散孤子锁模具有出色的稳定性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种二硒化钯可饱和吸收体的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1：将0.1g二硒化钯粉末加入100mL酒精(30％)中。浸泡48小时后，将混合溶液放入大功率超声波清洗机中剥离6小时。然后以2000rpm的速度离心30分钟后，得到分层的二硒化钯纳米片溶液；
步骤2：将4wt％的聚乙烯醇溶液加入二硒化钯纳米片溶液中，体积比为3:4，将混合好的二硒化钯-聚乙烯醇混合溶液放入超声波清洗机中剥离4小时，得到均匀的二硒化钯-聚乙烯醇分散液；
步骤3：将80μL的二硒化钯-聚乙烯醇分散液涂覆在固定于玻璃片上的锥形光纤上。之后，将涂覆的锥形光纤放入烘箱中以20℃的温度加热48小时，得到二硒化钯可饱和吸收体。
2.根据权利要求1所述的一种二硒化钯可饱和吸收体的制备方法，其特征在于：所述步骤1中二硒化钯的质量为0.1g，酒精的体积为100mL、浓度为30％，二硒化钯的浸泡时间为48小时，二硒化钯-酒精混合溶液超声剥离的时间为6小时、离心速度为2000rpm、离心时间为30分钟；所述步骤2中聚乙烯醇溶液的质量百分比为4wt％，聚乙烯醇溶液与二硒化钯纳米片溶液的体积比为3:4，二硒化钯-聚乙烯醇混合溶液超声剥离的时间为4小时；所述步骤3中二硒化钯-聚乙烯醇分散液的体积为80μL，涂覆的锥形光纤加热温度为20℃，加热时间为48小时。
3.一种孤子锁模光纤激光器，其特征在于：所述激光器包括激光二极管泵浦源(1)、波分复用器(2)、掺铒光纤(3)、偏振控制器一(4)、偏振无关隔离器(5)、单模光纤(6)、二硒化钯可饱和吸收体(7)、偏振控制器二(8)和输出耦合器(9)。
4.根据权利要求3所述的一种孤子锁模光纤激光器，其特征在于：所述激光二极管泵浦源(1)的中心波长为974nm；所述波分复用器(2)包括980nm输入端和1550nm输入端，尾纤为普通单模光纤；所述掺铒光纤(3)的型号为MP 980，长度为9.1m；所述输出耦合器(9)包含10％输出端和90％输出端，尾纤为普通单模光纤；所述偏振控制器一(4)、偏振控制器二(8)和偏振无关隔离器(5)的尾纤均为普通单模光纤。
5.根据权利要求3所述的一种孤子锁模光纤激光器，其特征如下：所述波分复用器(2)的980nm输入端、波分复用器(2)的输出端、掺铒光纤(3)、偏振控制器一(4)、偏振无关隔离器(5)、单模光纤(6)、二硒化钯可饱和吸收体(7)、偏振控制器二(8)、输出耦合器(9)的输入端和输出耦合器(9)的90％输出端依次相连构成所述激光器的环形谐振腔。其中，所述激光二极管泵浦源(1)的泵浦激光由波分复用器(2)的980nm输入端耦合进入环形谐振腔，所述激光器的输出由输出耦合器(9)的10％输出端进行输出。
6.根据权利要求3所述的一种孤子锁模光纤激光器，其特征如下：所述激光器在不同的腔长下可以实现传统孤子锁模和耗散孤子锁模。当总腔长为26.65m时，腔内净色散约为-0.15ps2，激光器环形谐振腔为反常色散腔，所述激光器可以实现传统孤子锁模；减少单模光纤(6)的长度使总腔长为12.61m时，腔内净色散约为0.16ps2，激光器环形谐振腔为正常色散腔，所述激光器可以实现耗散孤子锁模。
7.根据权利要求3所述的一种孤子锁模光纤激光器，其特征如下：所述激光器在传统孤子锁模时，其传统孤子脉冲的中心波长为1533.61nm；所述激光器在耗散孤子锁模时，其耗散孤子脉冲的中心波长为1560.67nm。
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