CN117638620A - 基于异质结饱和吸收体的超稳双梳锁模光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于异质结饱和吸收装置的超稳双梳锁模光纤激光器，选用二维材料‑拓扑绝缘体异质结作为可饱和吸收体，来实现腔内激光的被动锁模，并通过加入保偏光纤采用偏振复用的方式实现单腔双光梳。本发明的光路组成部分主要包括：泵浦源、波分复用器、掺镱增益光纤、保偏光纤、基于二维非线性材料VSe2和Bi2Te3制备的异质结VSe2‑Bi2Te3‑VSe2 SA、偏振无关隔离器、偏振控制器、单模光纤耦合器及偏振分束器。本发明用一种新的异质结饱和吸收装置产生了高稳定性的双梳锁模激光，将在双光梳光谱学、绝对测距、频率计量和泵浦探测等应用中展现出较大的潜力。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器以及非线性光学的技术领域，特别是指一种基于异质结饱和吸收体的超稳双梳锁模光纤激光器。
背景技术
自梅曼博士制造出第一台红宝石激光器以来，激光就在对人类文明的发展和进步产生着极大的作用。激光与自然光相比，具有其独特的四个优点：单色性好、方向性好、相干性好以及亮度较高。而根据其运行方式，大致可以将激光器分为连续激光器和脉冲激光器；其中，脉冲激光器因其所产生激光自身峰值功率高，脉冲能量大，持续时间短等特点，在零件加工、激光测距、医疗诊断、光纤通信等技术领域均有着十分广阔的应用前景。
光学频率梳是在频域上具有一系列等间隔的频率梳齿，在时域上周期性排布的激光脉冲。2002 年，Schiller 首次提出用两个重频有一定差别的光梳测量分子吸收光谱的概念。2004 年，Keilmann 等人首次在实验上对双光梳光谱测量方案进行了验证。从此，双光梳光谱学相关的研究迅速开展，研究内容主要围绕双光梳的产生和应用。近年来，双光梳的新型应用不断涌现，如泵浦-探针采样、非线性光谱成像、气体吸收谱测量等，这对光学频率梳的性能提出了更高的要求，不仅需要光学频率梳具有较高的频率稳定性，还需要其具有较高的平均功率或峰值功率。
采用两个飞秒锁模激光器是传统的双光梳生成技术，该技术能够在宽带范围内获得接近理想的光频梳，其梳齿具有极窄的线宽和绝对的频率，可以同时获得高分辨率、绝对的频率精度以及高信噪比。但需要复杂的频率锁定电子反馈控制系统，导致整个双梳系统的复杂度和成本较高。近年来，一种单腔双梳锁模激光器的双光梳产生方式备受关注，在同一个激光器中能够产生两套重复频率略有差异的飞秒脉冲，大大简化系统复杂性、节约成本，而且尽可能多地共用激光器腔内元件，降低了共同相位噪声。
在同一台锁模激光器获得双光梳有以下几种常见的方法，传输方向复用、波长复用、偏振复用。传输方向复用的双梳激光器易于实现，但重频差调节范围受限，实现更高的重频差较为困难。波长复用的双梳激光器由于锁模脉冲的波长往往不重叠，因此不具有光谱相干性，所以通常需要通过额外的光谱展宽才能应用于双梳系统中。
在已知的双梳系统中，光纤激光型双梳光源表现出稳定的性能，有望成为简单双梳光源的实用候选者。光纤激光器输出脉冲的方式有调Q和锁模技术。调Q技术因为受到腔长和调Q器件的限制，无法进一步将脉宽压窄；而锁模技术则有效地规避了调Q技术的缺陷。锁模的实现方式有主动锁模和被动锁模两种，前者通过在谐振腔内增加调制器件周期性地调制光场的幅度或相位，同时增加了谐振腔的复杂程度和脉冲展宽程度，因此很难产生稳定的超短脉冲。而被动锁模技术如非线性光纤环形镜、非线性偏振旋转、低维纳米材料可饱和吸收体（Saturable Absorber,SA）等，利用增益材料或可饱和吸收体的特性即可产生超短脉冲，具有成本低、稳定性高等优势，在光纤激光器中应用最广。前两种都是基于光纤的非线性折射效应，实验中为了实现较大的非线性相移积累，往往需要较长的光纤，导致激光器的重复频率受限，而且光纤的双折射效应容易受环境影响，导致激光器的稳定性不高。
近年来，人们不断在找寻性能优异的SA，如碳纳米管（SWNT）、石墨烯、拓扑绝缘体（TI）、黑磷（BP）、二维材料（TMD）等。如果我们希望在激光器中得到稳定的超短脉冲输出，那么则要求所用的 SA 能够表现出强的非线性、大的调制深度、快的弛豫时间。而现实中一种材料很难同时满足所有需求，因此人们尝试将两种材料组合成异质结，作为一种新型的SA。TMD 具有超快的响应速度和较高的损伤阈值，调制深度大小也基本满足应用需求，但其带隙较大，因此应用波段受限制。而 TI 带隙小、调制深度大，但是它的响应速度较慢。
由于二维材料是尺寸和厚度都非常小的薄片，不能直接应用于激光。因此，有必要将材料耦合成适当的光学结构，以促进材料与光之间的相互作用。到目前为止，已经有了一些常用的耦合结构，如光纤连接器、锥形光纤、金/银反射镜等。材料薄膜被夹在两个光纤连接器之间是最常用的一种方法，该种方法简单方便，但容易引起热积累，导致引起材料损伤。此外，通过将材料镀在锥形光纤的表面，光和材料相互作用时无需利用光和微纤维的倏逝场而直接通过材料，这样光和材料的作用时间较长，避免了热积累，但操作起来难度太大，且不易于保存。
针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种基于异质结饱和吸收装置的超稳双梳锁模光纤激光器及其光束产生方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于异质结饱和吸收装置的超稳双梳锁模光纤激光器，其能够产生高稳定性的双光梳。
为了达成上述目的，本发明的采用的技术方案是：
一种基于异质结饱和吸收体的超稳双梳锁模光纤激光器，包括：泵浦源、波分复用器、掺镱增益光纤、保偏光纤、偏振无关隔离器、可饱和吸收体、第一偏振控制器、单模光纤耦合器、第二偏振控制器及偏振分束器，泵浦源的输出端口连接波分复用器的其中一个输入端口，波分复用器的输出端口连接掺镱增益光纤的输入端口，掺镱增益光纤的输出端口连接保偏光纤的输入端口，保偏光纤的输出端口连接偏振无关隔离器的输入端口，偏振无关隔离器的输出端口连接可饱和吸收体的输入端口，可饱和吸收体的输出端口连接第一偏振控制器的输入端，第一偏振控制器的输出端口连接单模光纤耦合器，单模光纤耦合器具有两个输出端口，其中一个输出端口连接波分复用器的另一个输入端口，单模光纤耦合器的另一个输出端口连接第二偏振控制器的输入端口，第二偏振控制器的输出端口连接偏振分束器，其中，可饱和吸收体采用二维非线性材料VSe2和Bi2Te3制备的异质结VSe2-Bi2Te3-VSe2。
进一步，泵浦源采用激光二极管LD作为整个光路的输出，泵浦源输出的激光波长为980 nm。
进一步，采用980/1030 nm的波分复用器，将980 nm的激光耦合进掺镱增益光纤。
进一步，插入空腔的掺镱增益光纤的色散参数，长度为50 cm。
进一步，插入腔内的保偏光纤PMF的色散参数，长度为40 cm，保偏光纤引入双折射，对于具有不同偏振状态的脉冲带来群速度差异，从而使脉冲发生分离，形成异步锁模脉冲。
进一步，所述可饱和吸收体为基于二维非线性材料的VSe2-Bi2Te3-VSe2异质结，利用其饱和吸收效应实现锁模。
进一步，所述可饱和吸收体的异质结采用磁控溅射法进行制备，并采用反射镜结构耦合进光路中，包括：玻璃镜面层、金膜层、及VSe2-Bi2Te3-VSe2材料层，玻璃镜面层设置在最底层，VSe2-Bi2Te3-VSe2材料层设置在最顶层，金膜层位于玻璃镜面层与VSe2-Bi2Te3-VSe2材料层之间，VSe2-Bi2Te3-VSe2材料层包括依次设置的 VSe2层、Bi2Te3层及VSe2层。
进一步，所述第一偏振控制器与可饱和吸收体相结合调整光腔内锁模状态，第一偏振控制器及可饱和吸收体分别连接在偏振无关隔离器两侧，起到控制偏振态的作用。
进一步，所述单模光纤耦合器有两路激光输出端口，一路连接波分复用器构成环形腔结构；另一路作为激光的输出，连接到偏振控制器和偏振分束器。
进一步，所述偏振分束器将传输至的光分成两个传输方向，并将一路光沿入射方向输出，将另一路光沿垂直于入射方向输出。
进一步，光腔中除掺镱增益光纤、保偏光纤外，其他光纤均使用色散参数为的单模光纤。
本发明双梳产生光路的过程为：从泵浦源发出的泵浦激光经过波分复用器后依次经过掺镱增益光纤、保偏光纤、偏振无关隔离器、VSe2-Bi2Te3-VSe2SA、第一偏振控制器，再经过单模光纤耦合器，最后回到波分复用器的另一个输入端口，以此顺序构成完整环形光路，其中，单模光纤耦合器具有两个输出端口，一个与波分复用器相连构成完整回路，另一个与第二偏振控制器和偏振分束器相连，作为激光的输出，实现对输出光束光谱、脉冲序列及自相关特性的监控。本发明双梳锁模光纤激光器中可以产生中心波长分别为1033.9 nm和1034.1 nm、重复频率分别为44.102951 MHz和44.103451 MHz、重复频率差约为500 Hz、信噪比约为75 dB的两束高稳定性的双梳锁模激光，将在双光梳光谱学、绝对测距、频率计量和泵浦探测等应用中展现出较大的潜力。
本发明使用腔内偏振复用的方法产生双梳光源，利用光纤腔内的双折射，使得不同偏振方向的锁模脉冲存在群速度差异，从而实现两路脉冲一定的重频差。由于单模光纤中的双折射效应过于微弱，在普通的单模光纤激光器中产生正交偏振的异步脉冲并不容易，因此在光腔内加入保偏光纤，利用其强烈的双折射效应迫使脉冲发生分离，从而形成异步锁模脉冲。本发明使用SA实现锁模，利用其饱和吸收效应使低强度激光被吸收、高强度激光不断被放大，从而产生一系列稳定脉冲。
附图说明
图1为本发明超稳双梳锁模光纤激光器较佳实施例的结构示意图。
图2为本发明VSe2-Bi2Te3-VSe2SA 的宏观结构示意图。
标号说明：1、泵浦源；2、波分复用器WDM；3、掺镱增益光纤YDF；4、保偏光纤PMF；5、偏振无关隔离器ISO；6、可饱和吸收体；61、玻璃镜面层；62、金膜层；63、VSe2-Bi2Te3-VSe2材料层；7、第一偏振控制器；8、单模光纤耦合器OC；9、第二偏振控制器；10、偏振分束器PBS。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
本发明揭示了一种基于异质结饱和吸收体的超稳双梳锁模光纤激光器，其构成包括：泵浦源1、波分复用器WDM 2、掺镱增益光纤YDF 3、保偏光纤PMF 4、偏振无关隔离器ISO5、可饱和吸收体6、第一偏振控制器7、单模光纤耦合器8、第二偏振控制器9及偏振分束器PBS 10，泵浦源1的输出端口连接波分复用器WDM2的其中一个输入端口，波分复用器WDM 2的输出端口连接掺镱增益光纤YDF 3的输入端口，掺镱增益光纤YDF 3的输出端口连接保偏光纤PMF 4的输入端口，保偏光纤PMF 4的输出端口连接偏振无关隔离器ISO 5的输入端口，偏振无关隔离器ISO 5的输出端口连接可饱和吸收体6的输入端口，可饱和吸收体6的输出端口连接第一偏振控制器7的输入端，第一偏振控制器7的输出端口连接单模光纤耦合器OC8，单模光纤耦合器OC 8具有两个输出端口，其中一个输出端口连接波分复用器WDM 2的另一个输入端口，单模光纤耦合器OC 8的另一个输出端口连接第二偏振控制器9的输入端口，第二偏振控制器9的输出端口连接偏振分束器PBS 10，其中，可饱和吸收体6采用二维非线性材料VSe2和Bi2Te3制备的异质结VSe2-Bi2Te3-VSe2。
本发明实施例中，泵浦源1采用激光二极管LD作为整个光路的输出，泵浦源1输出的激光波长为980 nm。
本发明实施例中，采用980/1030 nm的波分复用器WDM 2，需要将980 nm的激光耦合进掺镱增益光纤YDF 3。
本实施例的掺镱增益光纤YDF 3采用Yb-406，插入空腔的掺镱增益光纤YDF 3的色散参数，长度约为50 cm，掺镱增益光纤YDF3对传输至的激光进行增益起振作用。
本发明实施例中，插入腔内的保偏光纤PMF 4的色散参数，长度约为40 cm，保偏光纤PMF 4引入较大的双折射，对于具有不同偏振状态的脉冲，可以带来显著的群速度差异，从而使脉冲发生分离，形成异步锁模脉冲。
本发明实施例的可饱和吸收体6基于二维非线性材料的VSe2-Bi2Te3-VSe2异质结，利用其饱和吸收效应实现锁模。VSe2-Bi2Te3-VSe2异质结具有大调制深度、快弛豫时间和宽带吸收的优点，使获得的光脉宽更窄、稳定性更高。如图2所示，本实施例的可饱和吸收体6的异质结采用磁控溅射法进行制备，并采用反射镜结构耦合进光路中，包括；玻璃镜面层61；金膜层62；及VSe2-Bi2Te3-VSe2材料层63，玻璃镜面层61设置在最底层，VSe2-Bi2Te3-VSe2材料层63设置在最顶层，金膜层62位于玻璃镜面层61与VSe2-Bi2Te3-VSe材料层63之间，VSe2-Bi2Te3-VSe2材料层63包括依次设置的 VSe2层、Bi2Te3层及VSe2层，具体的，首先在玻璃镜面层61上生长一层金膜，即金膜层62，用来进行光的有效反射，再将VSe2、Bi2Te3、VSe2靶材和金靶放置在目标室里，在一定的压力和电压，用VSe2、Bi2Te3、VSe2靶材分别在镜面表面进行沉积，形成致密均匀的三层膜。当光垂直于镜面入射时，会依次穿过 VSe2层、Bi2Te3层、VSe2层，并且经由玻璃镜面层61上方的金膜层62反射改变传播方向，再次穿过VSe2-Bi2Te3-VSe2材料层63，实现对光的二次窄化。
偏振无关隔离器ISO 5用于确保光单向传输，防止反向传输的光损坏激光系统中的光学器件，并且具有一定的偏振调节能力。
第一偏振控制器7与可饱和吸收体6相结合调整光腔内锁模状态。第一偏振控制器7及可饱和吸收体6需要分别连接在偏振无关隔离器两侧，起到控制偏振态的作用。
单模光纤耦合器OC 8有两路激光输出端口，一路连接波分复用器构成环形腔结构；另一路作为激光的输出，连接到偏振控制器和偏振分束器。
第二偏振控制器9用于调整输出的偏振态与PBS轴的对准。
偏振分束器10将传输至的光分成两个传输方向，并将一路光沿入射方向输出，记为Pol-1，将另一路光沿垂直于入射方向输出，记为Pol-2。
光腔中除增益光纤、保偏光纤外，其他光纤均使用色散参数为普通单模光纤。
本发明双梳产生光路的过程为：从泵浦源1发出的泵浦激光经过波分复用器WDM 2后依次经过掺镱增益光纤YDF；保偏光纤PMF 4、偏振无关隔离器ISO 5、VSe2-Bi2Te3-VSe2SA6、第一偏振控制器7再经过单模光纤耦合器OC 8，最后回到波分复用器WDM 2的另一个输入端口，以此顺序构成完整环形光路，其中，单模光纤耦合器OC 8具有两个输出端口，一个与波分复用器WDM 2相连构成完整回路，另一个与第二偏振控制器9和偏振分束器10相连，作为激光的输出，实现对输出光束光谱、脉冲序列及自相关特性的监控。本发明双梳锁模光纤激光器中可以产生中心波长分别为1033.9 nm和1034.1 nm、重复频率分别为44.102951MHz和44.103451 MHz、重复频率差约为500 Hz、信噪比约为75 dB的两束高稳定性的双梳锁模激光，将在双光梳光谱学、绝对测距、频率计量和泵浦探测等应用中展现出较大的潜力。
本发明使用腔内偏振复用的方法产生双梳光源，利用光纤腔内的双折射，使得不同偏振方向的锁模脉冲存在群速度差异，从而实现两路脉冲一定的重频差。由于单模光纤中的双折射效应过于微弱，在普通的单模光纤激光器中产生正交偏振的异步脉冲并不容易，因此在光腔内加入保偏光纤，利用其强烈的双折射效应迫使脉冲发生分离，从而形成异步锁模脉冲。本发明使用SA实现锁模，利用其饱和吸收效应使低强度激光被吸收、高强度激光不断被放大，从而产生一系列稳定脉冲。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。
Claims (10)
1.一种基于异质结饱和吸收体的超稳双梳锁模光纤激光器，其特征在于，包括：泵浦源、波分复用器、掺镱增益光纤、保偏光纤、偏振无关隔离器、可饱和吸收体、第一偏振控制器、单模光纤耦合器、第二偏振控制器及偏振分束器，泵浦源的输出端口连接波分复用器的其中一个输入端口，波分复用器的输出端口连接掺镱增益光纤的输入端口，掺镱增益光纤的输出端口连接保偏光纤的输入端口，保偏光纤的输出端口连接偏振无关隔离器的输入端口，偏振无关隔离器的输出端口连接可饱和吸收体的输入端口，可饱和吸收体的输出端口连接第一偏振控制器的输入端，第一偏振控制器的输出端口连接单模光纤耦合器，单模光纤耦合器具有两个输出端口，其中一个输出端口连接波分复用器的另一个输入端口，单模光纤耦合器的另一个输出端口连接第二偏振控制器的输入端口，第二偏振控制器的输出端口连接偏振分束器，其中，可饱和吸收体采用二维非线性材料VSe2和Bi2Te3制备的异质结VSe2-Bi2Te3-VSe2。
2.如权利要求1所述的基于异质结饱和吸收体的超稳双梳锁模光纤激光器，其特征在于：所述泵浦源采用激光二极管LD作为整个光路的输出，泵浦源输出的激光波长为980 nm。
3.如权利要求1所述的基于异质结饱和吸收体的超稳双梳锁模光纤激光器，其特征在于：采用980/1030 nm的波分复用器，将980 nm的激光耦合进掺镱增益光纤。
4.如权利要求1所述的基于异质结饱和吸收体的超稳双梳锁模光纤激光器，其特征在于：插入空腔的掺镱增益光纤的色散参数，长度为50 cm。
5.如权利要求1所述的基于异质结饱和吸收体的超稳双梳锁模光纤激光器，其特征在于：插入腔内的保偏光纤的色散参数，长度为40 cm，保偏光纤引入双折射，对于具有不同偏振状态的脉冲带来群速度差异，从而使脉冲发生分离，形成异步锁模脉冲。
6.如权利要求1所述的基于异质结饱和吸收体的超稳双梳锁模光纤激光器，其特征在于：所述可饱和吸收体为基于二维非线性材料的VSe2-Bi2Te3-VSe2异质结，利用其饱和吸收效应实现锁模。
7.如权利要求6所述的基于异质结饱和吸收体的超稳双梳锁模光纤激光器，其特征在于：所述可饱和吸收体的异质结采用磁控溅射法进行制备，并采用反射镜结构耦合进光路中，包括：玻璃镜面层、金膜层、及VSe2-Bi2Te3-VSe2材料层，玻璃镜面层设置在最底层，VSe2-Bi2Te3-VSe2材料层设置在最顶层，金膜层位于玻璃镜面层与VSe2-Bi2Te3-VSe2材料层之间。
8.如权利要求1所述的基于异质结饱和吸收体的超稳双梳锁模光纤激光器，其特征在于：所述第一偏振控制器与可饱和吸收体相结合调整光腔内锁模状态，第一偏振控制器及可饱和吸收体分别连接在偏振无关隔离器两侧，起到控制偏振态的作用。
9.如权利要求1所述的基于异质结饱和吸收体的超稳双梳锁模光纤激光器，其特征在于：所述偏振分束器将传输至的光分成两个传输方向，并将一路光沿入射方向输出，将另一路光沿垂直于入射方向输出。
10.如权利要求1所述的基于异质结饱和吸收体的超稳双梳锁模光纤激光器，其特征在于：光腔中除掺镱增益光纤、保偏光纤外，其他光纤均使用色散参数为的单模光纤。
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