CN115764534A

CN115764534A - 一种二硒化钒可饱和吸收体器件及其制备方法和铒掺杂锁模光纤激光装置

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Publication number: CN115764534A
Application number: CN202211709877.9A
Authority: CN
Inventors: 陶丽丽; 黄杰; 谢钊儒; 陈静娴; 招瑜
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2022-12-29
Filing date: 2022-12-29
Publication date: 2023-03-07

Abstract

本发明属于被动锁模超快光纤激光器技术领域，公开了一种二硒化钒可饱和吸收体器件及其制备方法和铒掺杂锁模光纤激光装置。所述二硒化钒可饱和吸收体器件是将二硒化钒纳米片分散液直接滴在光纤的锥区上，在光纤的一端注入1.5μm连续波激光，使二硒化钒纳米片附着在光纤的锥区表面，在溶液完全干燥后制得。本发明的二硒化钒可饱和吸收体器件具有超短脉冲序列强度高且均匀且性能稳定，将其应用在铒掺杂锁模光纤激光中，可产生飞秒级超短脉冲激光。本发明二硒化钒可饱和吸收体器件的制备方法简单，可实现工业化生产。

Description

一种二硒化钒可饱和吸收体器件及其制备方法和铒掺杂锁模光纤激光装置

技术领域

本发明属于被动锁模超快光纤激光器技术领域，更具体地，涉及一种二硒化钒可饱和吸收体器件及其制备方法和铒掺杂锁模光纤激光装置。

背景技术

而随着激光器的发展，以光纤作为增益介质的超短脉冲激光器一方面解决了传统激光器由于热量聚集一时无法发散出去的问题，另一方面脉冲激光还具有光束质量高且稳定、脉冲宽度窄和体积小等优点，成为研究的热点之一，在工业切割和国防军事等领域被广泛应用。但由于用作激光器工作物质的激光材料制备工艺复杂，价格昂贵，光学均匀性不好，因此应用有所限制；而半导体激光器近年来发展较快，应用范围广，制造成本低，被广泛使用。但是它有一些缺陷，比如激光性能受温度影响较大，总功率不高，光源相干性较差等缺点。相比于上述两种激光器，光纤激光器不仅克服了它们的劣势，而且还具有诸多的优势。首先，在光通信和传感等领域有着非常广阔的应用前景；其次，光纤由于较大的相对表面积使得激光在传输过程中转换效率高。此外，光纤结构在光通讯领域很容易实现与其他器件的接入，具有较好的兼容性。锁模超短脉冲激光具有结构简单、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。

目前，能够将连续光纤激光器转换为脉冲光纤激光器的技术主要有调Q技术和锁膜技术。调Q技术一般可以获得脉宽为纳秒或微秒级别的脉冲光纤激光器，这种激光器的脉冲能量高，被广泛应用于工业上的激光打标、激光清洗和激光喷丸等领域；相比于调Q技术，锁膜技术则可以获得皮秒甚至飞秒量级的脉冲光纤激光器，这种激光器脉宽极窄，峰值功率高，可应用于医学手术、光谱学、超精密加工和精密测距等领域。

被动锁模是一种可用于产生稳定的超短脉冲激光的方法，然而可饱和吸收体是能否产生被动锁模的关键。其基本原理是在光路中加入可饱和吸收体，泵浦发射出光源，光源通过可饱和吸收体之后，边翼部分的损耗会大于中央部分，导致光脉冲变窄，从而产生超短脉冲激光。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)，但是半导体可饱和吸收镜依然存在很多问题，如在制备方法上，SESAM普遍采用的是金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)法制备，制作工艺复杂，环境要求高，外界干扰因素比较多。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。因此研究出一种能够克服SESAM上述缺陷的可饱和吸收体材料成为了超短脉冲激光领域的急需解决的问题。

二维材料的研究为激光技术的发展做出了重要贡献，石墨烯作为一种新型的二维材料，已经被广泛证实能够作为可饱和吸收体产生超短脉冲激光，但是石墨烯由于单原子层非线性光学响应太弱，导致调制深度不超过百分之二，这使得锁模激光的稳定性极差。因此，寻找一种方法制备来制备稳定性高、高损伤阈值和低损耗的新型可饱和吸收体是很重要的。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种二硒化钒可饱和吸收体(VSe₂)器件。

本发明的另一目的在于提供上述方法制备的二硒化钒可饱和吸收体器件的制备方法。

本发明的再一目的在于提供基于上述二硒化钒可饱和吸收体器件的锁模光纤激光装置。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种二硒化钒可饱和吸收体器件，所述二硒化钒可饱和吸收体器件是将二硒化钒纳米片分散液直接滴在光纤的锥区上，在光纤的一端注入1.5μm连续波激光，使二硒化钒纳米片附着在光纤的锥区表面，在溶液完全干燥后制得。

所述的二硒化钒可饱和吸收体器件的制备方法，包括如下具体步骤：

S1.将二硒化钒粉末加入乙醇溶液中超声剥离，得到二硒化钒分散液，再将该分散液离心，所得上清液为二硒化钒纳米片分散液；

S2.将二硒化钒纳米片分散液直接滴在光纤的锥区上，在光纤的一端注入1.5μm连续波激光，使二硒化钒纳米片附着在光纤的锥区表面，在溶液完全干燥后，制得二硒化钒可饱和吸收体器件。

优选地，步骤S1中所述二硒化钒粉末的质量和乙醇溶液的体积比为(1～10)mg：(3～30)mL。

优选地，步骤S1中所述二硒化钒纳米片分散液中二硒化钒纳米的平均尺寸为(50～500)nm×(50～500)nm，二硒化钒纳米的厚度为1～10nm。

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24～72h，所述离心的速率为2000～5000rpm，所述离心的时间为3～10min。

一种铒掺杂锁模光纤激光装置，所述铒掺杂锁模光纤激光装置包括依次连接的泵浦源、波分复用器、铒掺杂增益光纤、偏振无关隔离器、输出耦合器、第一单模光纤、权利要求1所述的二硒化钒可饱和吸收体器件、第二单模光纤和偏振控制器。

进一步地，所述波分复用器包括第一输入端和第二输入端，所述光纤耦合器包括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、铒掺杂增益光纤、偏振无关隔离器、光纤耦合器的90％输出端、二硒化钒可饱和吸收体器件和偏振控制器依次相连，形成环形谐振腔。

优选地，所述铒掺杂增益光纤为长度为1～1.2m，所述泵浦源的波长为975～980nm，所述波分复用器的中心波长为1550～1800nm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用相剥离法制备了较薄的二硒化钒(VSe₂)分散液，并通过微纳光纤法将二硒化钒作为可饱和吸收体直接应用在光纤激光装置中。该光纤激光装置的质量稳定，工艺简单，可大规模生产，有利于商业化。

2.本发明中的二硒化钒的可饱和吸收体器件具有良好的稳定性，容易实现锁模，产生超短脉冲激光。该二硒化钒可饱和吸收体器件的超短脉冲序列强度高且均匀，性能稳定且属于飞秒量级，在光纤激光装置中具有很好的应用潜力。

附图说明

图1是应用例1中基于二硒化钒(VSe₂)可饱和吸收体器件的铒掺杂锁模光纤激光装置的示意图。

图2是应用例1中基于二硒化钒可饱和吸收体器件的铒掺杂锁模脉冲激光装置在示波器不同扫描速度下的脉冲序列图。

图3是应用例1中基于二硒化钒可饱和吸收体器件的铒掺杂锁模脉冲激光装置的输出光谱图。

图4是应用例1中基于二硒化钒可饱和吸收体器件的铒掺杂锁模脉冲激光装置不同范围下的射频谱。(a)为15～30MHz的射频谱，(b)为跨度为1GHZ宽带射频谱。

图5是应用例1中基于二硒化钒可饱和吸收体器件的铒掺杂锁模脉冲激光装置的单脉冲信号图。

图6是应用例1中基于二硒化钒可饱和吸收体器件的铒掺杂锁模脉冲激光装置输出功率与泵浦功率的关系图。

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.将10mg的二硒化钒粉末加入30mL乙醇溶液中，在功率为400W超声剥离24h，得到二硒化钒分散液，再将该分散液离心，所得上清液为二硒化钒纳米片分散液，其中，二硒化钒纳米片的平均尺寸为(50～500)nm×(50～500)nm，二硒化钒纳米的厚度为1～10nm。

2.将二硒化钒纳米片分散液直接滴在光纤的锥区上，在光纤的一端注入1.5μm连续波激光，由于倏逝场引起的光学梯度力，二硒化钒纳米片附着在锥区表面，在溶液完全干燥后，得到二硒化钒可饱和吸收体器件。

实施例2

1.将15mg的二硒化钒粉末加入45mL乙醇溶液中，在功率为400W超声剥离24h，得到二硒化钒分散液，再将该分散液离心，将较厚的纳米片移到离心管底部，所得上清液为二硒化钒纳米片分散液，其中，二硒化钒纳米片的平均尺寸为(50～500)nm×(50～500)nm，二硒化钒纳米的厚度为1～10nm。

实施例3

1.将30mg的二硒化钒粉末加入60mL乙醇溶液中，在功率为400W超声剥离24h，得到二硒化钒分散液，再将该分散液离心，将较厚的纳米片移到离心管底部，所得上清液为二硒化钒纳米片分散液，其中，二硒化钒纳米片的平均尺寸为(50～500)nm×(50～500)nm，二硒化钒纳米的厚度为1～10nm。

应用例1

图1是应用例1中基于VSe₂可饱和吸收体器件的铒掺杂锁模光纤激光装置的示意图。其中，1为泵浦源，2为波分复用器，3铒掺杂增益光纤，4为偏振无关隔离器，5为输出耦合器，6为基于二硒化钒(VSe₂)可饱和吸收体器件，51为耦合器的10％输出端，52为耦合器的90％输出端，9为偏振控制器，21波分复用器的第一输入端，22为波分复用器的第二输入端。

将二硒化钒可饱和吸收体器件应用于铒掺杂锁模激光装置中，本应用例中的光纤激光装置采用环形腔结构，泵浦源1采用中心波长为980nm的可调谐单模半导体激光器泵浦，使用980/1550nm的波分复用器2直接注入到掺铒增益光纤3中。所述波分复用器2包括第一输入端21和第二输入端22；所述输出耦合器5包括90％输出端51和10％输出端52；用光纤熔接机按照图1的顺序将泵浦源1、波分复用器2的第一输入端21、铒掺杂增益光纤3、偏振无关隔离器4、输出耦合器5的90％输出端51、第一单模光纤7、二硒化钒可饱和吸收体器件6、第二单模光纤8与偏振控制器9依次相连接，形成环形谐振腔。在输出耦合器5的10％输出端52连接自相关仪、光纤光谱仪以及示波器来测量光纤激光器的激光输出特性。

图2为应用例1中基于二硒化钒(VSe₂)可饱和吸收体器件的铒掺杂锁模脉冲激光装置的脉冲序列图，其中，(a)是当示波器的扫描速度为40ns/div时，可以准确的测量出脉冲间隔为44.64ns；(b)是扫描速度为200ns/div时，可以看出该锁模状态是在一个相对稳定的状态下进行的。因此，可以得出基于VSe₂可饱和吸收体器件的铒掺杂锁模光纤激光装置能输出稳定性良好的脉冲。

图3是应用例1中基于二硒化钒可饱和吸收体器件的铒掺杂锁模脉冲激光装置的输出光谱图。从图3可知，光谱宽度约为4.34nm，中心波长为1567.28nm。图4是应用例1中基于二硒化钒可饱和吸收体器件的铒掺杂锁模脉冲激光装置不同范围下的射频谱。(a)为15～30MHz的射频谱，(b)为跨度为1GHZ宽带射频谱。从图4可知，脉冲的信噪比约55dB，宽带射频谱也较为平稳，这表明脉冲信号非常稳定。图5是应用例1中基于二硒化钒可饱和吸收体器件的铒掺杂锁模脉冲激光装置的单脉冲信号图。从图5可知，脉冲宽度约为771fs，属于飞秒级别。图6是应用例1中基于二硒化钒可饱和吸收体器件的铒掺杂锁模脉冲激光装置输出功率与泵浦功率的关系图。由图5可知，脉冲的输出功率随着泵浦功率的增加呈线性增加。

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、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

1.一种二硒化钒可饱和吸收体器件，其特征在于，所述二硒化钒可饱和吸收体器件是将二硒化钒纳米片分散液直接滴在光纤的锥区上，在光纤的一端注入1.5μm连续波激光，使二硒化钒纳米片附着在光纤的锥区表面，在溶液完全干燥后制得。

2.根据权利要求1所述的二硒化钒可饱和吸收体器件的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

3.根据权利要求2所述的二硒化钒可饱和吸收体器件的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述二硒化钒粉末的质量和乙醇溶液的体积比为(1～10)mg：(3～30)mL。

4.根据权利要求2所述的二硒化钒可饱和吸收体器件的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述二硒化钒纳米片分散液中二硒化钒纳米的平均尺寸为(50～500)nm×(50～500)nm，二硒化钒纳米的厚度为1～10nm。

5.根据权利要求2所述的二硒化钒可饱和吸收体器件的制备方法，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24～72h，所述离心的速率为2000～5000rpm，所述离心的时间为3～10min。

6.一种铒掺杂锁模光纤激光装置，其特征在于，所述铒掺杂锁模光纤激光装置包括依次连接的泵浦源、波分复用器、铒掺杂增益光纤、偏振无关隔离器、输出耦合器、第一单模光纤、权利要求1所述的二硒化钒可饱和吸收体器件、第二单模光纤和偏振控制器。

7.根据权利要求6所述的铒掺杂锁模光纤激光装置，其特征在于，所述波分复用器包括第一输入端和第二输入端，所述光纤耦合器包括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、铒掺杂增益光纤、偏振无关隔离器、光纤耦合器的90％输出端、二硒化钒可饱和吸收体器件和偏振控制器依次相连，形成环形谐振腔。

8.根据权利要求6所述的铒掺杂锁模光纤激光装置，其特征在于，所述铒掺杂增益光纤为长度为1～1.2m，所述泵浦源的波长为975～980nm，所述波分复用器的中心波长为1550～1800nm。