光纖反射式石墨烯被動調(diào)q鎖模激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種光纖反射式石墨烯被動調(diào)Q鎖模激光器，涉及激光【技術領域】，以解決現(xiàn)有裝置具有的高非線性以及鎖模的質(zhì)量和穩(wěn)定性差的問題。該發(fā)明包括泵浦光源、光學玻璃鏡、增益光纖與飽和吸收鏡，光學玻璃鏡由第一平凸透鏡、第二平凸透鏡、第三平凸透鏡、第四平凸透鏡組成，其中，還包括第一二向色鏡、分束器與偏振控制元件組，泵浦光源、第一平凸透鏡、第一二向色鏡、第二平凸透鏡、增益光纖、第三平凸透鏡、分束器、偏振控制元件組、第四平凸透鏡與飽和吸收鏡按光纖順序依次連接。本發(fā)明不僅克服了高非線性，并且結構簡單、空間小巧、穩(wěn)定性更好。
【專利說明】光纖反射式石墨烯被動調(diào)Q鎖模激光器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及激光【技術領域】，特別是涉及一種光纖反射式石墨烯被動調(diào)Q鎖模激光器。
【背景技術】
[0002]光纖鎖模激光器與普通固體鎖模激光器相比具有結構緊湊、脈沖穩(wěn)定性好、閾值低等優(yōu)點。近年來，隨著光纖拉制技術及光纖器件制作工藝的發(fā)展，光纖鎖模激光器獲得了快速發(fā)展。目前，在光纖鎖模激光器中被廣泛用作可飽和吸收體的是SESAM，即半導體可飽和吸收鏡。SESAM用作可飽和吸收體具有可靠性好、穩(wěn)定性高、容易實現(xiàn)激光器鎖模自啟動等優(yōu)點。但SESAM存在工藝復雜、造價高、易損傷等問題。
[0003]石墨烯自2004年被首次制備出來后，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，其作為可飽和吸收體有著非常獨特的電學性質(zhì)和非線性光學飽和吸收特性。而且，石墨烯飽和吸收體與SESAM相比具有生長方式簡單，制作成本低的優(yōu)點。目前，國內(nèi)外課題組對以石墨烯作為可飽和吸收體的光纖鎖模激光器開展了一系列研究工作。2010年，Z.Sun等人以摻鉺光纖為增益介質(zhì)，石墨烯為飽和吸收體，利用環(huán)形腔結構獲得了中心波長為1560nm，譜寬為5.2nm，脈寬為500fs的連續(xù)鎖模激光輸出。同年，L.M.Zhao等人以摻鐿光纖為增益介質(zhì)，多層石墨烯為飽和吸收體，利用環(huán)形腔結構實現(xiàn)了連續(xù)鎖模激光輸出，其中心波長為1069.8nm，脈寬為580ps，平均輸出功率為0.37mW，重頻為0.9MHz。2011年，J.Liu等人以雙包層摻鐿光纖作增益介質(zhì)，石墨烯為可飽和吸收體，利用環(huán)形腔結構獲得了脈沖寬度為680ps,重頻為1.04MHz,單脈沖能量為163nJ的調(diào)Q鎖模激光輸出。2012年，X.He等人利用摻鉺光纖、石墨烯以及光纖布拉格光柵搭建環(huán)形腔，實現(xiàn)了波長范圍在1539.4-1546nm的可調(diào)諧連續(xù)鎖模激光輸出。同年，汪光輝等人采用環(huán)形腔結構，利用石墨烯作為可飽和吸收體，實現(xiàn)了平均輸出功率1.07mW，重復率3.16MHz，脈寬約為1.32ps的鎖模脈沖，激光中心波長在1556.72?1558.76nm之間可調(diào)。
[0004]以上研究工作中所采用的增益光纖均是普通單模摻雜光纖。由于普通單模光纖小的纖芯面積在高的峰值功率下會產(chǎn)生強的非線性效應(如SPM等)，帶來較大的非線性相移導致脈沖分裂，從而影響輸出的單脈沖能量、峰值功率的進一步提高，甚至輸出的穩(wěn)定性。而光子晶體光纖由于其獨特的導光機理、靈活多變的結構和豐富獨特的優(yōu)越性能，為各種光纖器件及技術的發(fā)展開辟了新的思路，可以解決在普通光纖激光器中無法解決的難題。采用大模場面積光子晶體光纖克服了傳統(tǒng)單模光纖由于小纖芯結構導致的高非線性，進而限制脈沖能量進一步提高的問題(如過多的非線性會產(chǎn)生脈沖分裂)；而與普通的大模場雙包層光纖相比，光子晶體光纖在纖芯直徑增加的同時還會保持單模輸出，在降低非線性效應的同時，還避免了鎖模時出現(xiàn)高階模以及模式之間的耦合影響鎖模質(zhì)量和穩(wěn)定性的問題。所以，光子晶體光纖具有的大模場面積單模特性，使激光器可以實現(xiàn)高功率情況下的單模運轉，這是光纖鎖模激光器能夠?qū)崿F(xiàn)高能量輸出的關鍵。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題中存在的不足之處，本發(fā)明提供一種光纖反射式石墨烯被動調(diào)Q鎖模激光器，使其克服了高非線性，并且結構簡單、空間小巧、穩(wěn)定性更好。
[0006]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種光纖反射式石墨烯被動調(diào)Q鎖模激光器，包括泵浦光源、光學玻璃 鏡、增益光纖與飽和吸收鏡，所述光學玻璃鏡由第一平凸透鏡、第二平凸透鏡、第三平凸透鏡、第四平凸透鏡組成，其中，還包括第一二向色鏡、分束器與偏振控制元件組，所述泵浦光源、所述第一平凸透鏡、所述第一二向色鏡、所述第二平凸透鏡、所述增益光纖、所述第三平凸透鏡、所述分束器、所述偏振控制元件組、所述第四平凸透鏡與所述飽和吸收鏡按光纖順序依次連接。
[0007]優(yōu)選的，所述分束器包括平行放置的第二二向色鏡和第三二向色鏡，所述分束器采用折疊式線性結構設計有效地將循環(huán)震蕩的激光和泵浦光分開，減少雜散光的干擾。
[0008]優(yōu)選的，所述偏振控制元件組包括第一偏振分束器、半波片、第二偏振分束器，所述第一偏振分束器、所述半波片與所述第二偏振分束器按照光纖順序依次連接，所述第一偏振分束器控制腔內(nèi)激光的偏振態(tài)，所述半波片和所述第二偏振分束器控制激光輸出的大小。
[0009]優(yōu)選的，所述泵浦光源的輸出端與所述第一平凸透鏡的輸入端相連接，泵浦光經(jīng)過準直-聚焦耦合作用后進入所述增益光纖中，使所述增益光纖對所述泵浦光有充分的吸收，所述泵浦光源為976nm光纖激光器。
[0010]優(yōu)選的，所述增益光纖為具有六角形周期性排布的空氣孔陣列的光子晶體光纖，其采用熔接方式與所述第二平凸透鏡、所述第三平凸透鏡相連接；所述增益光纖采用熱塌陷方法使距離所述增益光纖兩端面0.5mm處的空氣區(qū)塌陷，并對所述兩端面均以8°斜角拋光，避免了所述兩端面反饋形成的自激振蕩。
[0011]優(yōu)選的，所述飽和吸收鏡采用具有可飽和吸收特性的石墨烯制備，厚度為6-8層。
[0012]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0013]本發(fā)明將區(qū)別于傳統(tǒng)光纖的光子晶體光纖和新型鎖模材料石墨烯可飽和吸收體相結合，設計折疊式線形駐波腔，搭建整個光路為自由空間的光學實驗裝置，不僅克服了裝置結構導致的高非線性，并且獲得了結構簡單、空間小巧、穩(wěn)定性好的光纖反射式石墨烯被動調(diào)Q鎖模激光器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的實施例結構示意框圖；
[0015]圖2是本發(fā)明的實施例的拉曼光譜示意圖。
[0016]主要元件符號說明:
[0017]1-泵浦光源2-第一平凸透鏡 3-第一二向色鏡
[0018]4-第二平凸透鏡 5-光子晶體光纖 6-第三平凸透鏡
[0019]7-第二二向色鏡 8-第三二向色鏡 9-第一偏振分束器
[0020]10-半波片11-第二偏振分束器 12-第四平凸透鏡
[0021]13-飽和吸收鏡【具體實施方式】
[0022]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，下面結合附圖與實例對本發(fā)明作進一步詳細說明，但所舉實例不作為對本發(fā)明的限定。
[0023]如圖1所示，本發(fā)明的實施例包括泵浦光源1、光學玻璃鏡、增益光纖與飽和吸收鏡13，光學玻璃鏡由第一平凸透鏡2、第二平凸透鏡4、第三平凸透鏡6、第四平凸透鏡12組成，其中，還包括第一二向色鏡3、分束器與偏振控制元件組，泵浦光源1、第一平凸透鏡2、第一二向色鏡3、第二平凸透鏡4、增益光纖、第三平凸透鏡6、分束器、偏振控制元件組、第四平凸透鏡12與飽和吸收鏡13按光纖順序依次連接。
[0024]分束器包括平行放置的第二二向色鏡7和第三二向色鏡8，分束器采用折疊式線性結構設計有效地將循環(huán)震蕩的激光和泵浦光分開，保證只有激光振蕩，而無泵浦光的干擾。
[0025]偏振控制兀件組包括第一偏振分束器9、半波片10、第二偏振分束器11,第一偏振分束器9、半波片10與第二偏振分束器11按照光纖順序依次連接，第一偏振分束器9控制腔內(nèi)激光的偏振態(tài)，半波片10和第二偏振分束器11控制激光輸出的大小。
[0026]泵浦光源I的輸出端與第一平凸透鏡2的輸入端相連接，泵浦光經(jīng)過準直-聚焦耦合作用后進入光子晶體光纖5內(nèi)包層，耦合效率大于80%，使光子晶體光纖5對泵浦光有充分的吸收，泵浦光源I為976nm光纖激光器，976nm光纖激光器的最大輸出為29.5W(I=44A)。
[0027]增益光纖采用內(nèi)包層170 μ m、數(shù)值孔徑0.62，纖芯直徑為40 μ m、數(shù)值孔徑0.03的光子晶體光纖5,模場面積約為660 μ m2,光纖長度2m,具有六角型周期性排布的空氣孔陣列。這種光子晶體光纖5對976nm泵浦光的吸收系數(shù)為13dB/m。為了提高泵浦光和信號光的耦合效率、避免光纖端面損傷、污染，光子晶體光纖5采用熱塌陷方法使距離增益光纖兩端面0.5mm處的空氣區(qū)塌陷，并對兩端面均以8°斜角拋光，避免了兩端面反饋形成的自激振蕩影響可調(diào)諧激光器的性能。光纖端面磨削、拋光處理工作由自行研制的一套行之有效的方案完成，最大限度地降低了腔內(nèi)損耗。
[0028]整個激光振湯系統(tǒng)為上所述光纖反射式石墨稀被動調(diào)Q鎖|吳激光器。在振湯級中，泵浦光經(jīng)1:1的第一平凸透鏡2和第二平凸透鏡4組成的準直-聚焦耦合系統(tǒng)耦合進光子晶體光纖5的內(nèi)包層，光子晶體光纖5對泵浦光有充分的吸收后，輸出光經(jīng)第三平凸透鏡6準直，經(jīng)由第二二向色鏡7和第三二向色鏡8轉折后依次通過第一偏振分束器9、半波片10、第二偏振分束器11，經(jīng)第四平凸透鏡12聚焦到作為后腔鏡的多層石墨烯可飽和吸收鏡13上,從而完成一次激光振蕩。這里的第一偏振分束器9起到控制腔內(nèi)激光偏振態(tài)的作用，半波片10和第二偏振分束器11用來控制激光輸出的大小，因為在旋轉半波片的同時即改變了從第一偏振分束器9輸出光的偏振方向,這樣第一偏振分束器9與第二偏振分束器11各自偏振方向之間的夾角會發(fā)生改變，從而控制輸出光的大小，并且有效利用第二偏振分束器11的分光特性，使之既能滿足腔內(nèi)激光的循環(huán)振蕩，又能通過其側面的逃逸窗將激光導出，結構上更加靈活。最終將形成的調(diào)Q鎖模激光從第二偏振分束器11的側向逃逸窗口輸出。利用焦距8_的第四平凸透鏡12聚焦，通過改變會聚光斑的尺寸大小獲得啟動鎖模所需的功率密度。在泵浦功率IOW時，實現(xiàn)24mW連續(xù)光輸出。泵浦功率10.8W時，實現(xiàn)調(diào)Q鎖模，輸出功率45mW。在泵浦功率12W時，最高輸出功率115mW。當激光器出現(xiàn)調(diào)Q鎖模狀態(tài)后，隨著泵浦功率的增加，輸出功率幾乎呈線性增長，斜效率45.6%。
[0029]如圖2所示，飽和吸收鏡13采用具有可飽和吸收特性的石墨烯制備，厚度為6-8層。其拉曼光譜如圖所示:在1332 (D峰)和1580 (G峰)cm—1出現(xiàn)兩個峰，D峰強度幾乎可以忽略，表明石墨稀擁有很聞的質(zhì)量。
[0030]對所公開的實施例的上述說明，使本領域?qū)I(yè)技術人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業(yè)技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
【權利要求】
1.一種光纖反射式石墨烯被動調(diào)Q鎖模激光器，包括泵浦光源、光學玻璃鏡、增益光纖與飽和吸收鏡，所述光學玻璃鏡由第一平凸透鏡、第二平凸透鏡、第三平凸透鏡、第四平凸透鏡組成，其特征在于，還包括第一二向色鏡、分束器與偏振控制元件組，所述泵浦光源、所述第一平凸透鏡、所述第一二向色鏡、所述第二平凸透鏡、所述增益光纖、所述第三平凸透鏡、所述分束器、所述偏振控制元件組、所述第四平凸透鏡與所述飽和吸收鏡按光纖順序依次連接。
2.如權利要求1所述的光纖反射式石墨烯被動調(diào)Q鎖模激光器，其特征在于，所述分束器包括平行放置的第二二向色鏡和第三二向色鏡，所述分束器采用折疊式線性結構設計有效地將循環(huán)震蕩的激光和泵浦光分開，減少雜散光的干擾。
3.如權利要求2所述的光纖反射式石墨烯被動調(diào)Q鎖模激光器，其特征在于，所述偏振控制元件組包括第一偏振分束器、半波片、第二偏振分束器，所述第一偏振分束器、所述半波片與所述第二偏振分束器按照光纖順序依次連接，所述第一偏振分束器控制腔內(nèi)激光的偏振態(tài)，所述半波片和所述第二偏振分束器控制激光輸出的大小。
4.如權利要求3所述的光纖反射式石墨烯被動調(diào)Q鎖模激光器，其特征在于，所述泵浦光源的輸出端與所述第一平凸透鏡的輸入端相連接，泵浦光經(jīng)過準直-聚焦耦合作用后進入所述增益光纖中，使所述增益光纖對所述泵浦光有充分的吸收，所述泵浦光源為976nm光纖激光器。
5.如權利要求4所述的光纖反射式石墨烯被動調(diào)Q鎖模激光器，其特征在于，所述增益光纖為具有六角形周期性排布的空氣孔陣列的光子晶體光纖，其采用熔接方式與所述第二平凸透鏡、所述第三平凸透鏡相連接；所述增益光纖采用熱塌陷方法使距離所述增益光纖兩端面0.5mm處的空氣區(qū)塌陷，并對所述兩端面均以8°斜角拋光，避免了所述兩端面反饋形成的自激振蕩。
6.如權利要求1-5任一所述的光纖反射式石墨烯被動調(diào)Q鎖模激光器,其特征在于,所述飽和吸收鏡采用具有可飽和吸收特性的石墨烯制備，厚度為6-8層。
【文檔編號】H01S3/08GK103730823SQ201410008753
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月8日 優(yōu)先權日:2014年1月8日
【發(fā)明者】李平雪, 趙自強, 張光舉, 楊春, 池俊杰, 姚毅飛, 胡浩偉 申請人:北京工業(yè)大學