CN206135195U - 一种全光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种全光纤激光器，包括沿光传播方向依次设置的泵浦源、波分复用器、增益光纤、偏振控制器、偏振无关隔离器、光纤耦合器和可饱和吸收体，所述可饱和吸收体包括D型光纤和量子点薄膜层，所述D型光纤包括一D型凹槽和一纤芯，所述量子点薄膜层覆盖在所述D型凹槽的底部，所述D型凹槽的底部与所述纤芯中心之间的垂直距离d满足r<d，其中，r为所述纤芯的半径。本实用新型提供的全光纤激光器中包括可饱和吸收体，可饱和吸收体包括D型光纤，使该全光纤激光器具有较长的光与物质相互作用的长度，可以增加可饱和吸收体的吸收性能，从而提高其非线性光学性能和激光器的稳定性。

Description

一种全光纤激光器

技术领域

本实用新型涉及超快脉冲激光领域，具体涉及一种全光纤激光器。

背景技术

在激光器中，由于被动锁模激光器可以提供高稳定性、高光束质量、高能量的超短脉冲，因此被广泛应用于科研、工业、国防、环境、能源、通讯等与人们生活息息相关的领域，具有强大的应用价值。

全光纤激光器作为一种重要的被动锁模激光器，通常采用可饱和吸收体被动锁模以实现激光器被动锁模，目前常用的可饱和吸收体包括石墨烯、拓扑绝缘体、二硫化钼或黑磷等二维材料，虽然这些二维材料具有宽波段、小带隙、高载流子迁移率、高表面体积比等特性，但是，它们在某些方面(吸收强度、光谱范围、载流子动力学等)却存在不足，特别是光吸收率低，导致全光纤激光器的稳定性不好。因此，如何增加二维材料与光的相互作用，以进一步提高其非线性光学性能，并提高激光器的稳定性、以满足市场的实际应用是亟需解决的一个问题。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供了一种全光纤激光器。

一种全光纤激光器，包括沿光传播方向依次设置的泵浦源、波分复用器、增益光纤、偏振控制器、偏振无关隔离器、光纤耦合器和可饱和吸收体，所述可饱和吸收体包括D型光纤和量子点薄膜层，所述D型光纤包括一D型凹槽和一纤芯，所述量子点薄膜层覆盖在所述D型凹槽的底部，所述D型凹槽的底部与所述纤芯中心之间的垂直距离d满足r<d，其中，r为所述纤芯的半径。

其中，所述r的范围为4-5μm，所述d满足r<d<15μm。

其中，所述量子点薄膜层的厚度为10μm-50μm。

其中，所述量子点薄膜层的厚度为20μm-30μm。

其中，所述D型凹槽在光传播方向上的长度为3mm-5mm。

其中，所述量子点薄膜层中量子点的尺寸在100nm以下。

其中，所述量子点薄膜层中量子点的尺寸为2nm-100nm。

其中，所述可饱和吸收体中的量子点的能量带隙与所述全光纤激光器的工作波长一致。

其中，所述光纤耦合器的耦合比为10:90，其中，10％端用于输出光信号。

其中，所述泵浦源输出的泵浦光的中心波长为980nm。

本实用新型提供的全光纤激光器，包括可饱和吸收体，可饱和吸收体包括量子点薄膜层，由于量子点的量子限域效应和边缘效应，可以增强物质与光相互作用强度，量子点薄膜层中的量子点的光吸收率比常规二维材料的光吸收率大一个数量级。另外，本实用新型采用D型光纤结构，可以增加物质与光的相互作用的长度，从而提高全光纤激光器的非线性光学性能和稳定性，满足市场的实际应用的需要。

附图说明

图1为本实用新型提供的全光纤激光器的结构示意图；

图2为本实用新型提供的可饱和吸收体的结构示意图；

图3为本实用新型提供的可饱和吸收体中D型凹槽部分的截面图。

具体实施方式

以下所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

请参阅图1、图2和图3，图1为本实用新型提供的全光纤激光器的结构示意图；图2为本实用新型提供的可饱和吸收体的结构示意图；图3为本实用新型提供的可饱和吸收体中D型凹槽部分的截面图；图1中101为泵浦源、102为波分复用器、103为增益光纤、104为偏振控制器、105为偏振无关隔离器、106为光纤耦合器、107为可饱和吸收体，图2中1为D型光纤，2为量子点薄膜层，6为量子点薄膜层中的量子点材料，3为D型凹槽，图3中2为量子点薄膜层，4为光纤纤芯，5为光纤包层。

本实用新型提供了一种全光纤激光器，包括沿光传播方向依次设置的泵浦源101、波分复用器102、增益光纤103、偏振控制器104、偏振无关隔离器105、光纤耦合器106、可饱和吸收体107，其中，波分复用器102、增益光纤103、偏振控制器104、偏振无关隔离器105、光纤耦合器106、可饱和吸收体107依次用单模光纤连接成环形光纤谐振器腔结构；其中，泵浦源101与波分复用器102的泵浦端(反射端)连接，以将泵浦光输入到光纤谐振器腔，波分复用器102的公共端(透射端)与增益光纤103的一端相连，增益光纤103的另一端与偏振控制器104的输入端相连，偏振控制器104的输出端与偏振无关隔离器105的输入端连接，偏振无关隔离器105的输出端与耦合比为10:90的光纤耦合器106的输入端连接；光纤耦合器106的10％端输出信号光，而90％端与可饱和吸收体107一端连接；可饱和吸收体107的另外一端与波分复用器102的信号端相连。可饱和吸收体产生可饱和吸收，使全光纤激光器产生超快激光脉冲。可饱和吸收体包括D型光纤和量子点薄膜层，D型光纤包括一D型凹槽和一纤芯，量子点薄膜层覆盖在D型凹槽的底部，D型凹槽的底部与纤芯中心之间的垂直距离d满足r<d，其中，r为纤芯的半径。

本实用新型一实施方式中，泵浦源输出的泵浦光的中心波长为980nm。

本实用新型一实施方式中，增益光纤103为掺镱光纤、掺铋光纤、掺铒光纤、掺铥光纤或ZBLAN光纤等，具体的说，当选择不同的增益光纤时，波分复用器、光纤耦合器、偏振无关隔离器、偏振控制器、可饱和吸收体的工作波长为相应增益光纤的工作波长。

本实用新型一优选实施方式中，光纤耦合器的耦合比为10:90，其中，10％端用于输出光信号。

本实用新型一实施方式中，泵浦源、波分复用器、偏振控制器、光纤耦合器、偏振无关隔离器为业界常规选择，本实用新型不做特殊限定。

参阅图2和图3，本实用新型一实施方式中，可饱和吸收体包括D型光纤1和量子点薄膜层2，D型光纤1的一侧沿光传播方向设置有一D型凹槽3，D型光纤1还包括包层5和纤芯4，量子点薄膜层2覆盖在D型凹槽3的底部。

本实用新型D型光纤是在标准单模通信光纤上，利用光学微加工技术，将一定长度的圆柱形的光纤包层抛磨掉一部分，制成D型光纤。

本实用新型一实施方式中，光纤纤芯传输的光通过消逝场与量子点材料发生相互作用。

现有技术中往往在两光纤头之间插入二维材料薄膜形成“三明治”结构，光与二维材料物质相互作用的长度仅为薄膜层的厚度(<50μm)，导致光与二维材料的相互作用的长度较短，激光器的稳定性较差。本实用新型提供了D型光纤，量子点薄膜层覆盖在D型凹槽底部。光与量子点材料的相互作用长度大约是D型凹槽的长度(3mm-5mm)。因此，基于D型光纤的可饱和吸收体，具有较长的光与物质相互作用长度，可以增加可饱和吸收体的吸收性能，从而提高其非线性光学性能和激光器的稳定性。

本实用新型一实施方式中，量子点薄膜层的厚度为10μm-50μm。

本实用新型一优选实施方式中，量子点薄膜层的厚度为20μm-30μm。

本实用新型一实施方式中，量子点薄膜层中量子点的尺寸在100nm以下，量子点的能量带隙对应的波长范围为400nm-4000nm。

本实用新型一优选实施方式中，量子点薄膜层中量子点的尺寸为2nm-100nm。

本实用新型一优选实施方式中，量子点的尺寸在50nm以下。

本实用新型一优选实施方式中，量子点的尺寸为2nm-50nm。

本实用新型一实施方式中，本实用新型的量子点的尺寸指的是量子点的横向尺寸。

本实用新型一实施方式中，量子点的形状为二维层状材料。

本实用新型一实施方式中，量子点包括石墨烯量子点、拓扑绝缘体量子点、过渡金属硫化物量子点和黑磷量子点中的至少一种。和常规的二维材料相比，本实用新型这些量子点为新型的二维材料，其横向尺寸在100nm以下。由于这些量子点的尺寸都在100nm以下，因此拥有丰富的边缘效应和量子限域效应。可以通过控制尺寸大小来调节边缘效应和量子限域效应，进而得到不同能量带隙的量子点材料。

本实用新型一实施方式中，拓扑绝缘体量子点包括Bi₂Te₃量子点、Bi₂Se₃量子点和Sb₂Te₃量子点中的至少一种。

本实用新型一实施方式中，过渡金属硫化物量子点包括二硫化钼量子点或二硫化钨量子点。

当该量子点薄膜层应用于全光纤激光器时，可以根据全光纤激光器的工作波长选择不同尺寸的量子点，从而使量子点的能量带隙与全光纤激光器的工作波长相匹配，在这种情况下，由于量子限域效应和边缘效应，量子点材料与光发生共振增强效应，量子点材料对能带内的激光产生较强的吸收，该量子点薄膜光吸收率比常规二维材料的光吸收率大一个数量级。另外，该量子点具备与普通二维材料一样的可饱和吸收特性。将该高质量、高光学吸收率的量子点薄膜层制备成可饱和吸收体，使激光器实现被动锁模运转，产生高能量、高稳定的超短脉冲。

本实用新型一实施方式中，量子点薄膜层的组成成分中还包括高分子有机化合物，高分子有机化合物为聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯中的至少一种。

本实用新型一实施方式中，高分子有机化合物的作用是增加基于二维材料的量子点的粘合性，从而有助于形成量子点薄膜层。这种高分子有机化合物可以保护量子点，可以保护其免受外界机械力等因素的破坏，增加激光系统的实用性。

本实用新型一实施方式中，量子点薄膜层是由量子点溶液与高分子有机化合物经过混合、超声、干燥形成的。

本实用新型一实施方式中，量子点薄膜层的制备方法，包括以下步骤：

提供基于二维材料的量子点溶液，基于二维材料的量子点溶液中的量子点为石墨烯量子点、拓扑绝缘体量子点、过渡金属硫化物量子点和黑磷量子点中的至少一种，量子点的尺寸在100nm以下；

超声分散后，将量子点溶液直接滴至D型凹槽的底部，真空条件下于70-100℃烘干，在D型凹槽的底部形成量子点薄膜层。

本实用新型一优选实施方式中，将量子点溶液与高分子有机化合物混合，超声分散后，得到混合溶液；高分子有机化合物为聚乙烯醇(PVA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PS)中的至少一种。

本实用新型一实施方式中，量子点溶液按照常规方法制备即可，具体不限，如石墨烯量子点可采用水热法、微波辅助法。如黑磷量子点的制备方法可参考文献[Ultrasmallblackphosphorus quantum dots:synthesis and use asphotothermalagents,Angew.Chem.,2015,127(39):11688-11692]进行制备。

本实用新型一实施方式中，该可饱和吸收体以单模光纤为基础，其中间部分经过抛磨处理去掉部分包层5，形成D型凹槽。量子点材料通过物理的方法设置到D型凹槽底部，光纤采用标准单模光纤。

本实用新型一实施方式中，D型凹槽在光传播方向上的长度L为3mm-5mm。

本实用新型一实施方式中，D型凹槽底部被量子点薄膜层完全覆盖。

如图3所示，本实用新型一实施方式中，D型凹槽的底部与纤芯中心之间的垂直距离d满足r<d，其中，r为纤芯的半径，即D型凹槽3的底部与光纤纤芯4之间还留有一定厚度的包层，纤芯表面没有露出。R为D型光纤的最大半径(即包层2完整时光纤的半径)，由于D型光纤中D型凹槽的存在，很显然，d是小于R的。

本实用新型一优选实施方式中，D型凹槽的底部与纤芯之间的距离很近但两者又不接触。

本实用新型一优选实施方式中，r的范围为4-5μm，d满足r<d<15μm。

本实用新型一实施方式中，D型凹槽底面平整。

本实用新型一实施方式中，可饱和吸收体中的量子点的能量带隙与全光纤激光器的工作波长一致。可饱和吸收体中的量子点的能量带隙与全光纤激光器的工作波长一致指的是量子点的能量带隙对应的波长与全光纤激光器的工作波长相同或相近。

本实用新型提供的全光纤激光器，包括可饱和吸收体，可饱和吸收体中的量子点的能量带隙与全光纤激光器的工作波长一致，由于量子限域效应和边缘效应，量子点与光发生共振增强效应，量子点对能带内的激光产生较强的吸收，可以显著提高激光器的稳定性。本实用新型将高质量、高光学吸收率的量子点薄膜层制备成可饱和吸收体，并且将量子点薄膜层覆盖D型凹槽底部，可以增加光与物质相互作用的长度，使激光器实现被动锁模运转，产生高能量、高稳定的超短脉冲。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种全光纤激光器，其特征在于，包括沿光传播方向依次设置的泵浦源、波分复用器、增益光纤、偏振控制器、偏振无关隔离器、光纤耦合器和可饱和吸收体，所述可饱和吸收体包括D型光纤和量子点薄膜层，所述D型光纤包括一D型凹槽和一纤芯，所述量子点薄膜层覆盖在所述D型凹槽的底部，所述D型凹槽的底部与所述纤芯中心之间的垂直距离d满足r<d，其中，r为所述纤芯的半径。

2.如权利要求1所述的全光纤激光器，其特征在于，所述r的范围为4-5μm，所述d满足r<d<15μm。

3.如权利要求1所述的全光纤激光器，其特征在于，所述量子点薄膜层的厚度为10μm-50μm。

4.如权利要求3所述的全光纤激光器，其特征在于，所述量子点薄膜层的厚度为20μm-30μm。

5.如权利要求1所述的全光纤激光器，其特征在于，所述D型凹槽在光传播方向上的长度为3mm-5mm。

6.如权利要求1所述的全光纤激光器，其特征在于，所述量子点薄膜层中量子点的尺寸在100nm以下。

7.如权利要求6所述的全光纤激光器，其特征在于，所述量子点薄膜层中量子点的尺寸为2nm-100nm。

8.如权利要求1所述的全光纤激光器，其特征在于，所述可饱和吸收体中的量子点的能量带隙与所述全光纤激光器的工作波长一致。

9.如权利要求1所述的全光纤激光器，其特征在于，所述光纤耦合器的耦合比为10:90，其中，10％端用于输出光信号。

10.如权利要求1所述的全光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源输出的泵浦光的中心波长为980nm。