CN206412625U - 基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器 - Google Patents

Abstract

一种基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器，采用环形腔结构，由波分复用器第二端、增益光纤(3)、隔离器(4)、光纤耦合器(5)、偏振控制器(6)、砷化镉可饱和吸收体(7)、单模光纤、波分复用器第三端依次连接成环状，隔离器的另一端连接光纤耦合器输入端，光纤耦合器的第一输出端作为脉冲激光输出，第二输出端在环路连接偏振控制器的第一端；偏振控制器另一端连接砷化镉薄膜可饱和吸收体的一端，砷化镉薄膜可饱和吸收体第二端和单模光纤第一端相连；泵浦源通过波分复用器的第一端即泵浦输入端将泵浦光耦合注入稀土掺杂的增益光纤中，利用砷化镉在近红外及中红外波段具有超快可饱和吸收特性，实现高脉冲能量锁模脉冲输出。

Description

基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器

技术领域

本实用新型涉及属于激光技术及非线性光学领域。尤其是一种砷化镉薄膜被动锁模光纤激光器。

背景技术

脉冲激光在生物医疗、材料加工、激光雷达、通信等领域有着极其重要的应用。脉冲光纤激光在保持光纤激光器的稳定性、转换效率和光束质量等诸多优点的同时，比连续波光纤激光器拥有更高的激光峰值功率，使其应用范围更加广泛。目前实现脉冲激光的主要方法有调Q技术、锁模技术以及增益开关技术，其中锁模技术是实现高峰值超快脉冲的有效手段。

被动锁模技术是实现锁模激光器的有效方式之一，具有光学克尔效应的可饱和吸收体作为被动锁模技术的关键部分受到越来越多的关注，现如今被动可饱和吸收体主要有应用半导体可饱和吸收镜(SESAM)、碳纳米管(SWNT)、石墨烯、二硫化钼等器件或材料的技术。然而SESAM具有制作工艺复杂、生产成本较高、可饱和吸收光谱范围相对较窄等劣势，且不能工作在中红外长波长光谱区域。虽然SWNT与SESAM相比具有制作成本低廉、可饱和吸收光谱范围宽等优势，但是制作SWNT可饱和吸收体时其直径的不可控性会导致光学参数无法精确控制并引入额外的插入损耗；石墨烯作为可饱和吸收体是新兴的被动锁模技术，其本身存在调制深度低，可饱和吸收效应不明显等问题；二硫化钼也可作为可饱和吸收体，但是其可饱和吸收效应有很大一部分来自缺陷态的贡献，所以重复性、稳定性成为制约其发展的关键因素。

砷化镉材料作为可饱和吸收体用于激光器锁模具有可饱和吸收光谱范围宽、重复性好、波形稳定等优势，同时由于其为薄膜材料，在制备可靠性方面优于低维材料(如碳纳米管和石墨烯等)。目前可在实验上实现近红外到中红外波段稳定被动锁模，因此砷化镉作为新型可饱和吸收体材料具有很大的潜力，有望取代SESAM成为光纤激光器，尤其是长波长光纤激光器中性能最优异的被动锁模器件。

目前制备砷化镉薄膜主要采用分子束外延、SiC衬底外延生长、化学气相沉积、脉冲激光沉积等方法。分子束外延、SiC衬底外延生长与化学气相沉积法和脉冲激光溅射法相比，生长出的砷化镉晶体具有更好的可重复性和更好的晶体结构。

实用新型内容

本实用新型目的是，提出了一种基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器，其利用砷化镉材料的非线性可饱和吸收特性实现近红外、中红外波段被动锁模脉冲输出。构成各种被动锁模光纤激光器。

为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案：一种基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器，采用环形腔结构，由波分复用器第二端、增益光纤(3)、隔离器(4)、光纤耦合器(5)、偏振控制器(6)、砷化镉可饱和吸收体(7)、单模光纤、波分复用器第三端依次连接成环状，泵浦源通过波分复用器将泵浦光耦合注入稀土掺杂的增益光纤中；增益光纤的另一端连接隔离器；隔离器的另一端连接光纤耦合器输入端，光纤耦合器的第一输出端作为脉冲激光输出，第二输出端在环路连接偏振控制器的第一端；而偏振控制器另一端连接砷化镉薄膜可饱和吸收体的一端，砷化镉薄膜可饱和吸收体第二端和单模光纤第一端相连；单模光纤另一端则连接到波分复用器的第三端构成环形腔结构；设有泵浦源(1)通过波分复用器(2)的第一端即泵浦输入端将泵浦光耦合注入稀土掺杂的增益光纤(3)中；

其中偏振控制器、砷化镉薄膜可饱和吸收体和单模光纤的连接方式采用三明治结构，用两个同型号光纤接头将砷化镉薄膜可饱和吸收体固定在接头中间实现被动锁模；在超薄云母基底上制备砷化镉薄膜，砷化镉薄膜厚度控制在10nm-1μm。

一种基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器，采用环形腔结构，由波分复用器第二端、增益光纤、隔离器、光纤耦合器、准直-聚焦系统、砷化镉可饱和吸收体、全反射金镜、单模光纤、偏振控制器、波分复用器第三端依次连接成环状，泵浦源通过波分复用器将泵浦光耦合注入稀土掺杂的增益光纤中；增益光纤的另一端连接隔离器；隔离器的另一端连接光纤耦合器输入端，光纤耦合器的第一输出端作为脉冲激光输出，第二输出端在环路激光耦合至准直-聚焦系统中，并将砷化镉薄膜可饱和吸收体置于聚焦后的光斑处；在光斑之后光路中的放置宽带全反射金镜形成反射式结构；再接入一段单模光纤；单模光纤的另一端连接偏振控制器，而偏振控制器的另一端则与波分复用器的第三端口相连构成环形谐振腔；所述的砷化镉薄膜可饱和吸收体指在超薄云母基底上制备砷化镉薄膜，砷化镉薄膜厚度控制在10nm-1μm；设有泵浦源连接波分复用器的第一端即泵浦输入端；将泵浦光注入到稀土掺杂的增益光纤中。

一种基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器，采用环形腔结构，由波分复用器第二端、增益光纤、隔离器、光纤耦合器、环形器，偏振控制器、单模光纤、波分复用器第三端依次连接成环状，泵浦源通过波分复用器将泵浦光耦合注入稀土掺杂的增益光纤中；增益光纤的另一端连接隔离器；隔离器的另一端连接光纤耦合器输入端，光纤耦合器有两个端口，一路直接作为激光输出端，另一端连接环形器；环形器的第二端口将激光耦合至准直-聚焦系统中，并将砷化镉薄膜可饱和吸收体置于聚焦后的光斑处；为了形成反射式结构，在光路中的另一端放置宽带全反射金镜；环形器的第三端口在环路依次与偏振控制器和单模光纤连接，单模光纤的另一端则与波分复用器的第三端口相连构成环形腔结构；

所述的砷化镉薄膜可饱和吸收体砷化镉样品直接沉积指在超薄云母基底上制备砷化镉薄膜，砷化镉薄膜厚度控制在10nm-1μm；设有泵浦源连接波分复用器的第一端即泵浦输入端；将泵浦光注入到稀土掺杂的增益光纤中。

一种基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器，采用线形腔结构，由高反射率的光纤光栅、波分复用器、增益光纤、光纤耦合器、砷化镉可饱和吸收体依次连接；增益光纤的另一端连接光纤耦合器，光纤耦合器有两个输出端，一端作为激光器输出端，另一端与砷化镉薄膜可饱和吸收体相连；波分复用器的第三端连接高反射率的光纤光栅，与砷化镉薄膜可饱和吸收体共同构成激光器的线性谐振腔；其中砷化镉薄膜可饱和吸收体作为被动锁模元件，由厚度控制在10nm-1μm砷化镉薄膜并沉积到宽带全反射镜上；设有泵浦源连接波分复用器的泵浦输入端，将泵浦光注入到稀土摻杂的增益光纤中。

一种基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器，采用线形腔结构，由环形镜、波分复用器、增益光纤、砷化镉可饱和吸收体依次连接；泵浦源连接波分复用器的泵浦输入端，将泵浦光注入到稀土摻杂的增益光纤中，环形镜、增益光纤的另一端与砷化镉薄膜可饱和吸收体相连；波分复用器的第三端连接环形镜的第一端，环形镜的另一端作为激光输出端；环形镜由光纤耦合器两个输出端接到一起构成，与砷化镉薄膜可饱和吸收体共同构成激光器的线性谐振腔；其中砷化镉薄膜可饱和吸收体作为被动锁模元件，由厚度控制在10nm-1μm砷化镉薄膜并沉积到宽带全反射镜上。

一种基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器，采用线形腔结构，由低反射率的光纤光栅、波分复用器、增益光纤、砷化镉可饱和吸收体、全反射镜依次连接；泵浦源连接波分复用器的泵浦输入端，将泵浦光注入到稀土摻杂的增益光纤中，增益光纤的另一端直接与砷化镉薄膜可饱和吸收体相接触；波分复用器的另一端连接低反色率光纤光栅作为激光输出端；其中砷化镉薄膜可饱和吸收体作为被动锁模元件，由厚度控制在10nm-1μm砷化镉薄膜并沉积到宽带全反射镜上。

所述砷化镉薄膜可饱和吸收体采用分子束法外延法制备，层数可控，稳定性强，同时采用脉冲激光溅射法可将砷化镉样品直接沉积在全反射金镜或介质反射镜上，或将砷化镉样品直接沉积于光纤端面。

所述增益光纤为掺杂稀土元素中的一种或多种的单模光纤或大芯径多模光纤或光子晶体光纤或微结构光纤。

所述波分复用器、增益光纤、光纤耦合器、光纤光栅、隔离器、偏振控制器、单模光纤、环形器为保偏型或非保偏型

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果。本实用新型采用砷化镉薄膜作为可饱和吸收体应用于被动锁模激光器中，由于砷化镉具有较宽的吸收带宽，可在近红外及中红外波段实现锁模,采用分子束外延生长的砷化镉薄膜，具有稳定性高、材料均匀、恢复时间快且损伤阈值高的特点，可实现高稳定性、高重复频率、高峰值功率的锁模激光脉冲输出。

附图说明

图1为实施例1砷化镉被动锁模光纤激光器的结构图。

图2为实施例2砷化镉被动锁模光纤激光器的结构图。

图3为实施例3砷化镉被动锁模光纤激光器的结构图。

图4为实施例4砷化镉被动锁模光纤激光器的结构图。

图5为实施例5砷化镉被动锁模光纤激光器的结构图。

图6为实施例6砷化镉被动锁模光纤激光器的结构图。

图中：1、泵浦源，2、波分复用器，3、增益光纤，4、隔离器，5、光纤耦合器，6、偏振控制器，7、砷化镉可饱和吸收体，8、单模光纤，9、准直-聚焦系统，10、环形器，11、宽带全反射金镜，12、高反射率的光纤光栅，13、环形镜，14、低反射率的光纤光栅。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明，但不仅限于以下几种实施例，同时下述实例可以通过改变腔内器件工作波长实现在1000nm、1550nm、2000nm、3000nm附近锁模脉冲输出。

实施例1

一种基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器结构如图1所示。中心波长为1550nm泵浦源1通过1550nm/2000nm的波分复用器2将泵浦光耦合注入2.5m稀土掺杂的增益光纤3中；增益光纤3的另一端连接2μm偏振无关隔离器4；隔离器4的另一端连接到分束比为30：70的1X2结构的2μm光纤耦合器5，光纤耦合器5有两个输出端，30％端作为脉冲激光输出端，70％端连接偏振控制器6；偏振控制器6连接砷化镉可饱和吸收体7，并将砷化镉可饱和吸收体7和普通单模光纤8相连；单模光纤8另一端连接1550nm/2000nm波分复用器的2000nm端；偏振控制器6、砷化镉可饱和吸收体7和单模光纤8的连接方式采用三明治结构，即用两个同型号FC/PC光纤接头将砷化镉薄膜可饱和吸收体7固定在中间；砷化镉可饱和吸收体7作为被动锁模器件，锁模脉冲激光将从光纤耦合器5的30％的输出端输出。

实施例2

一种基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器结构如图2所示。中心波长1550nm泵浦源1连接1550nm/2000nm波分复用器2的泵浦输入端，将泵浦光注入到2.5m稀土摻杂的掺铥增益光纤3中；增益光纤(3)依次连接2μm偏振无关隔离器(4)和分束比为30：70的1X2结构的2μm光纤耦合器5；光纤耦合器5有两个输出端口，30％端作为脉冲激光输出端，70％端将光束耦合至准直-聚焦系统9中，并将砷化镉薄膜可饱和吸收体7置于聚焦后的光斑处；为调节腔内色散，接入单模光纤8；单模光纤8的另一端连接偏振控制器6，而偏振控制器6的另一端则与1550nm/2000nm波分复用器2的2000nm端相连构成环形谐振腔。

实施例3

一种基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器结构如图3所示。中心波长1550nm泵浦源1连接1550nm/2000nm波分复用器2的泵浦输入端，将泵浦光注入到2.5m稀土摻杂的掺铥增益光纤3中；增益光纤3后依次连接2μm隔离器4与分束比为30：70的1X2结构的2μm光纤耦合器5，光纤耦合器5有两个端口，30％端作为脉冲激光输出端，70％端连接2μm环形器10的1号端口；环形器10的二号端口将激光耦合至准直-聚焦系统9中，并将砷化镉薄膜可饱和吸收体7置于聚焦后的光斑处；为了形成反射式结构，在光路中的另一端放置宽带全反射金镜11；环形器10的3号端口依次与偏振控制器6和单模光纤8连接；单模光纤8的另一端则与1550nm/2000nm波分复用器2的2000nm端连接构成环形腔结构。

实施例4

一种基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器结构如图4所示。中心波长1550nm泵浦源1连接1550nm/2000nm波分复用器2的泵浦输入端，将泵浦光注入到2.5m稀土摻杂的掺铥增益光纤3中；增益光纤3的另一端连接分束比为30：70的1X2结构的2μm光纤耦合器5，光纤耦合器5有两个端口，30％端作为脉冲激光输出端，70％端与砷化镉薄膜可饱和吸收体7相连；1550nm/2000nm波分复用器2的2000nm端连接高反射率的光纤光栅(R:99.9％@2μm)12，与砷化薄膜镉可饱和吸收体7共同构成激光器的线性谐振腔；其中砷化镉可饱和吸收体作为被动锁模元件，采用脉冲光溅射法制备，沉积到宽带全反射镜上，采用反射式结构。砷化薄膜镉可饱和吸收体为砷化镉薄膜沉积在宽带全反射镜上。

实施例5

一种基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器结构如图5所示。中心波长1550nm泵浦源1连接1550nm/2000nm波分复用器2的泵浦输入端，将泵浦光注入到2.5m稀土摻杂的掺铥增益光纤3中；增益光纤3的另一端与砷化镉可饱和吸收体7相连；1550nm/2000nm波分复用器2的2000nm端连接环形镜13的一个输入端，环形镜13的另一个输入端作为激光输出端；环形镜13由分光比1:1的(2X2)2μm光纤耦合器两个输出端接到一起构成，与砷化镉薄膜可饱和吸收体7共同构成激光器的线性谐振腔；其中砷化镉薄膜可饱和吸收体作为被动锁模元件，采用脉冲光溅射法制备，沉积到宽带全反射镜上，采用反射式结构。

实施例6

一种基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器结构如图6所示。中心波长1550nm泵浦源1连接1550nm/2000nm波分复用器2的泵浦输入端，将泵浦光注入到2.5m稀土摻杂的掺铥增益光纤3中；增益光纤3的另一端直接与砷化镉薄膜可饱和吸收体7相接触；1550nm/2000nm波分复用器2的2000nm端连接低反射率光纤光栅(R:60％@2μm，100％@1550nm)14作为激光输出端。其中砷化镉薄膜可饱和吸收体作为被动锁模元件，采用脉冲光溅射法制备，沉积到宽带全反射镜上，采用反射式结构。

Claims (7)

1.一种基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器，其特征在于：采用环形腔结构，由波分复用器第二端、增益光纤(3)、隔离器(4)、光纤耦合器(5)、偏振控制器(6)、砷化镉可饱和吸收体(7)、单模光纤、波分复用器第三端依次连接成环状，泵浦源通过波分复用器将泵浦光耦合注入稀土掺杂的增益光纤中；增益光纤的另一端连接隔离器；隔离器的另一端连接光纤耦合器输入端，光纤耦合器的第一输出端作为脉冲激光输出，第二输出端在环路连接偏振控制器的第一端；而偏振控制器另一端连接砷化镉薄膜可饱和吸收体的一端，砷化镉薄膜可饱和吸收体第二端和单模光纤第一端相连；单模光纤另一端则连接到波分复用器的第三端构成环形腔结构；设有泵浦源(1)通过波分复用器(2)的第一端即泵浦输入端将泵浦光耦合注入稀土掺杂的增益光纤(3)中；

其中偏振控制器、砷化镉薄膜可饱和吸收体和单模光纤的连接方式采用三明治结构，用两个同型号光纤接头将砷化镉薄膜可饱和吸收体固定在接头中间实现被动锁模；在超薄云母基底上制备砷化镉薄膜，砷化镉薄膜厚度控制在10nm-1μm。

2.一种基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器，其特征在于：采用环形腔结构，由波分复用器第二端、增益光纤、隔离器、光纤耦合器、准直-聚焦系统、砷化镉可饱和吸收体、全反射金镜、单模光纤、偏振控制器、波分复用器第三端依次连接成环状，泵浦源通过波分复用器将泵浦光耦合注入稀土掺杂的增益光纤中；增益光纤的另一端连接隔离器；隔离器的另一端连接光纤耦合器输入端，光纤耦合器的第一输出端作为脉冲激光输出，第二输出端在环路激光耦合至准直-聚焦系统中，并将砷化镉薄膜可饱和吸收体置于聚焦后的光斑处；在光斑之后光路中的放置宽带全反射金镜形成反射式结构；再接入一段单模光纤；单模光纤的另一端连接偏振控制器，而偏振控制器的另一端则与波分复用器的第三端口相连构成环形谐振腔；所述的砷化镉薄膜可饱和吸收体指在超薄云母基底上制备砷化镉薄膜，砷化镉薄膜厚度控制在10nm-1μm；设有泵浦源连接波分复用器的第一端即泵浦输入端；将泵浦光注入到稀土掺杂的增益光纤中。

3.一种基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器，其特征在于：采用环形腔结构，由波分复用器第二端、增益光纤、隔离器、光纤耦合器、环形器，偏振控制器、单模光纤、波分复用器第三端依次连接成环状，泵浦源通过波分复用器将泵浦光耦合注入稀土掺杂的增益光纤中；增益光纤的另一端连接隔离器；隔离器的另一端连接光纤耦合器输入端，光纤耦合器有两个端口，一路直接作为激光输出端，另一端连接环形器；环形器的第二端口将激光耦合至准直-聚焦系统中，并将砷化镉薄膜可饱和吸收体置于聚焦后的光斑处；为了形成反射式结构，在光路中的另一端放置宽带全反射金镜；环形器的第三端口在环路依次与偏振控制器和单模光纤连接，单模光纤的另一端则与波分复用器的第三端口相连构成环形腔结构；

所述的砷化镉薄膜可饱和吸收体砷化镉样品直接沉积指在超薄云母基底上制备砷化镉薄膜，砷化镉薄膜厚度控制在10nm-1μm；设有泵浦源连接波分复用器的第一端即泵浦输入端；将泵浦光注入到稀土掺杂的增益光纤中。

4.一种基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器，其特征在于：采用线形腔结构，由高反射率的光纤光栅、波分复用器、增益光纤、光纤耦合器、砷化镉可饱和吸收体依次连接；增益光纤的另一端连接光纤耦合器，光纤耦合器有两个输出端，一端作为激光器输出端，另一端与砷化镉薄膜可饱和吸收体相连；波分复用器的第三端连接高反射率的光纤光栅，与砷化镉薄膜可饱和吸收体共同构成激光器的线性谐振腔；其中砷化镉薄膜可饱和吸收体作为被动锁模元件，由厚度控制在10nm-1μm砷化镉薄膜并沉积到宽带全反射镜上；设有泵浦源连接波分复用器的泵浦输入端，将泵浦光注入到稀土摻杂的增益光纤中。

5.一种基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器，其特征在于：采用线形腔结构，由环形镜、波分复用器、增益光纤、砷化镉可饱和吸收体依次连接；泵浦源连接波分复用器的泵浦输入端，将泵浦光注入到稀土摻杂的增益光纤中，环形镜、增益光纤的另一端与砷化镉薄膜可饱和吸收体相连；波分复用器的第三端连接环形镜的第一端，环形镜的另一端作为激光输出端；环形镜由光纤耦合器两个输出端接到一起构成，与砷化镉薄膜可饱和吸收体共同构成激光器的线性谐振腔；其中砷化镉薄膜可饱和吸收体作为被动锁模元件，由厚度控制在10nm-1μm砷化镉薄膜并沉积到宽带全反射镜上。

6.一种基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器，其特征在于：采用线形腔结构，由低反射率的光纤光栅、波分复用器、增益光纤、砷化镉可饱和吸收体、全反射镜依次连接；泵浦源连接波分复用器的泵浦输入端，将泵浦光注入到稀土摻杂的增益光纤中，增益光纤的另一端直接与砷化镉薄膜可饱和吸收体相接触；波分复用器的另一端连接低反色率光纤光栅作为激光输出端；其中砷化镉薄膜可饱和吸收体作为被动锁模元件，由厚度控制在10nm-1μm砷化镉薄膜并沉积到宽带全反射镜上。

7.根据权利要求1-6之一所述的基于砷化镉薄膜的被动锁模光纤激光器，其特征在于：所述的增益光纤(3)为摻杂稀土元素的单模光纤、大芯径多模光纤、光子晶体光纤或微结构光纤。