基于二維納米材料鎖模的空間結(jié)構(gòu)光纖激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖激光器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于二維納米材料鎖模的空間結(jié)構(gòu)光纖激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]自上世紀(jì)90年代起，鎖模光纖激光器由于能夠產(chǎn)生超短脈沖，在超快光學(xué)和光通信系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用。而其中的被動(dòng)鎖模光纖激光器則通常利用腔內(nèi)非線性器件的非線性效應(yīng)對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制實(shí)現(xiàn)鎖模。
[0003]目前，基于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)實(shí)現(xiàn)的被動(dòng)鎖模，是最成熟也是應(yīng)用也最廣泛的鎖模技術(shù)。但是SESAM鎖模也存在很多難以克服的缺點(diǎn)。基于傳統(tǒng)鎖模技術(shù)所存在的缺陷，新型的二維納米材料鎖模技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，單壁碳納米管，石墨烯，拓?fù)浣^緣體等二維納米材料作為替代SESAM鎖模的可飽和吸收材料成為近年來(lái)人們研究的熱點(diǎn)。
[0004]單壁碳納米管可飽和吸收體由于其可飽和吸收帶的工作波長(zhǎng)與直徑和手性來(lái)決定，通常需要將不同直徑大小的單壁碳納米管混合在一起以實(shí)現(xiàn)寬波長(zhǎng)范圍的可飽和吸收。然而，單壁碳納米管的光吸收特性與碳管直徑、手性等因素有關(guān)，這將影響器件的性能，不利于鎖模的精確控制，同時(shí)也會(huì)帶了很大的光散射損耗，這些缺點(diǎn)影響了激光器的輸出性能。因此有人提出石墨烯可以作為一種可靠有效的可飽和吸收體。與SESAM相比，石墨烯可飽和吸收體具有自己的優(yōu)勢(shì):可飽和吸收恢復(fù)時(shí)間超快、帶寬極寬、飽和強(qiáng)度低、抗損傷閾值高和制備成本低，是一種理想的被動(dòng)鎖模器件。但目前石墨烯鎖模光纖激光器最長(zhǎng)工作波長(zhǎng)和最短工作波長(zhǎng)都是在固體激光器中產(chǎn)生，而未在光纖激光器中產(chǎn)生。
[0005]與此同時(shí)，與石墨烯類似的具有可飽和吸收特性的二維納米材料——拓?fù)浣^緣體(Topological insulator，ΤΙ)也受到人們的關(guān)注。景觀ΤΙ具有易于制造，成本低等優(yōu)點(diǎn)。至lj目前為止，由TI鎖模的光纖激光器輸出的最窄脈沖寬度為128fs，仍未達(dá)到百飛秒量級(jí)以下，且輸出功率在1 OmW量級(jí)。
[0006]綜上所述，對(duì)于利用石墨烯、TI等二維納米材料作為可飽和吸收體，降低鎖模閾值、壓縮脈沖寬度、提高重復(fù)頻率、增大輸出功率，仍是實(shí)驗(yàn)和商業(yè)應(yīng)用上的亟待解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的一個(gè)目的是要提供一種基于二維納米材料鎖模的空間結(jié)構(gòu)光纖激光器，該激光器能夠降低鎖模閾值、壓縮脈沖寬度、提高重復(fù)頻率、增大輸出功率，能夠輸出脈沖寬度在lOOfs以下的激光脈沖。
[0008]特別地，本發(fā)明提供了一種基于二維納米材料鎖模的空間結(jié)構(gòu)光纖激光器，包括:
[0009]用于輸出栗浦激光的栗浦源；
[0010]環(huán)形腔光路，一部分由增益光纖組成，還包括用于鎖模的二維納米材料可飽和吸收體，用于形成非線性偏振旋轉(zhuǎn)并實(shí)現(xiàn)混合鎖模的空間結(jié)構(gòu);和，
[0011]用于將光耦合到所述環(huán)形腔光路的波分復(fù)用器。
[0012]進(jìn)一步地，所述增益光纖對(duì)傳輸至的激光增益起振后入射至與其相連的所述二維納米材料可飽和吸收體中；
[0013]優(yōu)選地，所述增益光纖為摻鉺光纖或摻鐿光纖。
[0014]進(jìn)一步地，所述空間結(jié)構(gòu)包括光纖準(zhǔn)直器、半波片、1/4波片、偏振分光鏡及偏振相關(guān)隔離器，所述光通過(guò)所述空間結(jié)構(gòu)將其傳輸通路限定在同一平面上。
[0015]進(jìn)一步地，所述偏振分光鏡為對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為900-1300nm的空氣隙偏振分束立方體或者對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為1200-1600nm的膠合偏振分束立方體。
[0016]進(jìn)一步地，所述光纖準(zhǔn)直器包括第一至第二光纖準(zhǔn)直器，所述半波片包括第一至第二半波片，所述1/4波片包括第一至第二 1/4波片；
[0017]其中，所述栗浦源輸出的栗浦激光通過(guò)單模光纖接入所述波分復(fù)用器的第一入射端，所述波分復(fù)用器的出射端經(jīng)單模光纖連接至所述第一光纖準(zhǔn)直器、再經(jīng)所述第一半波片、所述第一 1/4波片、所述偏振分光鏡、所述偏振相關(guān)隔離器、所述第二半波片、所述第二1/4波片和所述第二光纖準(zhǔn)直器，并由所述第二光纖準(zhǔn)直器的出射端入單模光纖連入所述增益光纖，再由所述二維納米材料可飽經(jīng)單模光纖連入所述波分復(fù)用器的第二入射端。
[0018]進(jìn)一步地，所述第一半波片及所述第二半波片為空氣隙零級(jí)波片、膠合零級(jí)波片或聚合物零級(jí)石英波片中的一種。
[0019]進(jìn)一步地，所述第一1/4波片及第二 1/4波片為空氣隙零級(jí)波片、膠合零級(jí)波片或聚合物零級(jí)石英波片中的一種。
[0020]進(jìn)一步地，所述栗浦源的中心頻率為974nm、976nm或1480nm中之一，最大栗浦功率為 200mW、300mW、500mW、680mWS750mW*2—o
[0021]進(jìn)一步地，所述二維納米材料可飽和吸收體為在錐腰處鍍有一層二維納米材料的拉錐光纖，在所述光通過(guò)所述拉錐光纖的時(shí)候構(gòu)成倏逝場(chǎng)鎖模器件。
[0022]進(jìn)一步地，所述二維納米材料為單壁碳納米管、石墨稀或拓?fù)浣^緣體中的一種。
[0023]本發(fā)明的基于二維納米材料鎖模的空間結(jié)構(gòu)光纖激光器，由于采用二維納米材料可飽和吸收體與實(shí)現(xiàn)非線性偏振旋轉(zhuǎn)的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行混合鎖模，實(shí)現(xiàn)了空間結(jié)構(gòu)的光纖激光器鎖模，并獲得了 lOOfs以下的超短激光脈沖輸出。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊小巧、成本較低、適于重復(fù)生產(chǎn)和組裝，具有激光單向輸出、高重復(fù)頻率、低于lOOfs量級(jí)的脈沖寬度、高穩(wěn)定性以及高光束質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于國(guó)防、工業(yè)、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域，具有很好的應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。
[0024]進(jìn)一步地，相比于以往的二維納米材料可飽和吸收體實(shí)現(xiàn)鎖模的全光纖結(jié)構(gòu)激光器來(lái)說(shuō)，脈沖寬度明顯變窄、輸出功率明顯增大、重復(fù)頻率明顯提高、鎖模閾值顯著降低。
[0025]進(jìn)一步地，對(duì)于基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)鎖模的空間結(jié)構(gòu)光纖激光器來(lái)說(shuō)，輸出功率增大、鎖模閾值降低、脈沖寬度變窄、激光器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)。
[0026]根據(jù)下文結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)更加明了本發(fā)明的上述以及其他目的、優(yōu)點(diǎn)和特征。
【附圖說(shuō)明】
[0027]后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細(xì)描述本發(fā)明的一些具體實(shí)施例。附圖中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示了相同或類似的部件或部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。附圖中:
[0028]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的空間結(jié)構(gòu)光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例所述空間結(jié)構(gòu)光纖激光器得到的穩(wěn)定鎖模輸出的脈沖信號(hào)；
[0030]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例所述空間結(jié)構(gòu)光纖激光器用頻譜儀測(cè)得的脈沖寬度信號(hào)；
[0031]圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例所述空間結(jié)構(gòu)光纖激光器用光譜儀測(cè)得的輸出光譜信號(hào)。
【具體實(shí)施方式】
[0032]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的空間結(jié)構(gòu)光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。該基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)鎖模的空間結(jié)構(gòu)光纖激光器一般性地可包括:
[0033]用于輸出栗浦激光的栗浦源1;
[0034]環(huán)形腔光路，一部分由增益光纖11組成，還包括用于鎖模的二維納米材料可飽和吸收體12，用于形成非線性偏振旋轉(zhuǎn)并實(shí)現(xiàn)混合鎖模的空間結(jié)構(gòu)13;和，
[0035]用于將光耦合到所述環(huán)形腔光路的波分復(fù)用器2。
[0036]其中，所述栗浦源1的中心頻率為974nm、976nm或1480nm中之一，最大栗浦功率為200mW、300mW、500mW、680mW或750mW中之一。需要說(shuō)明的是，所述栗浦源1采用的栗浦源中心頻率為974nm，對(duì)應(yīng)的最大栗浦功率為200mW、300mW、500mW、680mW或750mW中之一，即五種皆可。本實(shí)施例中采用光纖耦合輸出的半導(dǎo)體激光器，用于輸出波長(zhǎng)為976nm的栗浦激光，輸出功率為680mW，光纖芯徑為8.2微米，數(shù)值孔徑0.14，光纖輸出后經(jīng)過(guò)波分復(fù)用器2后將光耦合到環(huán)形腔光路中。
[0037]本實(shí)施例采用二維納米材料可飽和吸收體12與實(shí)現(xiàn)非線性偏振旋轉(zhuǎn)的空間結(jié)構(gòu)13進(jìn)行混合鎖模，實(shí)現(xiàn)了空間結(jié)構(gòu)13的光纖激光器鎖模，并獲得了 lOOfs以下的超短激光脈沖輸出。首先激光器輸出脈寬主要與激光器的調(diào)制深度有關(guān)，因?yàn)槎S納米材料可飽和吸收體12可以增加激光器環(huán)形腔光路的調(diào)制深度，從而使脈沖變窄，此外，二維納米材料可飽和吸收體12與實(shí)現(xiàn)非線性偏振旋轉(zhuǎn)的空間結(jié)構(gòu)13可同時(shí)進(jìn)行鎖模，他們兩個(gè)集中在一起使用構(gòu)成一種混合鎖模方式，這樣的話就進(jìn)一步增加調(diào)制深度，使得所述空間結(jié)構(gòu)光纖激光器的輸出脈寬更窄，進(jìn)而得到lOOfs以下的超短激光脈沖輸出。
[0038]相比于以往的二維納米材料可飽和吸收體12實(shí)現(xiàn)鎖模的全光纖結(jié)構(gòu)激光器來(lái)說(shuō)，具有脈沖寬度明顯變窄、輸出功率明顯增大、重復(fù)頻率明顯提高、鎖模閾值顯著降低的優(yōu)點(diǎn)。而相比于基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)鎖模的空間結(jié)構(gòu)光纖激光器來(lái)說(shuō)，則具有輸出功率增大、鎖模閾值降低、脈沖寬度變窄、激光器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。
[0039]所述增益光纖11對(duì)傳輸至的激光增益起振后入射至與其相連的所述二維納米材料可飽和吸收體12中。優(yōu)選地，所述增益光纖11可以采用摻鉺光纖或者摻鐿光纖。
[0040]增益光纖11是在石英光纖中摻入了少量的稀土元素的光纖。本實(shí)施例中該增益光纖11的發(fā)射波長(zhǎng)位于1530nm到1610nm之間，對(duì)于栗浦激光單模光纖的典型熔接損耗小于0.1dB，對(duì)于SMF-28e+光纖的典型熔接損耗小于0.15dB，增益為110±1