基於石墨烯的雙波長同步調Q光纖雷射器的製作方法

2024-03-20 21:41:05

本發明涉及一種雷射器，特別是涉及一種基於石墨烯的雙波長同步調Q光纖雷射器。

背景技術：

光纖雷射器具有其它傳統的雷射器所無法比擬的高轉換效率、高輸出功率、高光束質量、高穩定性、寬帶可調性和易小型化、無需製冷、維護簡單等特點。

雙波長同步調Q脈衝雷射源因在波分復用系統、光子微波信號處理、太赫茲產生源等領域具有巨大的潛在應用，引起了國內外雷射科學家的廣泛興趣。然而，目前大多數調Q光纖雷射器僅單一波長激射，實現雙波長的同步調Q雷射脈衝仍少有報導。因此開發一種低成本的雙波長同步調Q光纖雷射器顯得非常必要。

石墨烯自2004年發現至2010年被授予諾貝爾物理學獎，短短6年時間便成為國際研究的熱點並得到學術界的廣泛認可。石墨烯是零帶隙的半導體材料，其能帶結構在K空間呈對頂的雙錐形，費米能級在狄拉克點之上。正是石墨烯這種獨特的能帶結構，使得石墨烯具有寬光帶的相互作用，可以覆蓋可見光和近紅外。另外由於泡裡阻塞現象的存在，石墨烯存在可飽和吸收現象。在石墨烯的可飽和吸收過程中存在兩個特徵弛豫時間：通過載流子-載流子散射實現的帶內載流子熱平衡，以及隨後的載流子-聲子散射和帶間載流子複合過程。帶內載流子熱平衡時間極短，在10-107fs範圍內。帶間載流子熱平衡的時間較長，在0.4-1.7ps左右。可見石墨烯的可飽和吸收特性的時間響應能力是極快的。由於石墨烯的泡裡阻塞效應，當兩束光與石墨烯相互作用時就會產生交叉吸收調製作用。基於石墨烯的交叉吸收調製特性，石墨烯可以充當多波長同步調Q雷射器的可飽和吸收體。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種基於石墨烯的雙波長同步調Q光纖雷射器。

本發明設有波分復用器、增益光纖、光隔離器、輸出光耦合器、泵浦源、偏振控制器、基於石墨烯的可飽和吸收體。

所述雙波長同步調Q光纖雷射器由兩個環形腔構成，兩個環形腔分別充當1550nm波長和1060nm波長雷射的諧振腔。泵浦源輸出的泵浦光通過波分復用器的泵浦輸入端注兩個環形腔的公共部分，光耦合器的輸出端用於輸出腔內震蕩產生的同步調Q脈衝。

所述雙波長被動調Q開關採用通過將石墨烯材料附著於微納光纖的倏逝場上構建。石墨烯通過PDMS為襯底來進行轉移，與氟化鎂晶體共同形成被動調Q開關。

本發明利用石墨烯材料的強可飽和吸收特性的同時，還利用了石墨烯對兩束光的交叉吸收調製特性，使兩個環形腔形成的雙波長調Q雷射脈衝實現同步輸出。

基於石墨烯的雙波長同步調Q光纖雷射器的製作方法的步驟包括如下：

1)首先將直徑約為125μm的單膜光纖進行拉錐處理，拉錐直徑製作為約1-10μm；

2)將拉錐處理的微納光纖鋪設在氟化鎂晶體的平板基片上，用膠水固定；

3)以PDMS為襯底對CVD生長的石墨烯進行轉移，將單層石墨烯貼合在微納光纖的拉錐處；

4)參考光路圖焊接各光學元件。

本發明與現有技術相比，具有的有益效果如下：本發明利用石墨烯材料的強可飽和吸收特性的同時，還利用了石墨烯對兩束光的交叉吸收調製特性，使兩個環形腔形成的雙波長調Q雷射脈衝實現同步輸出。石墨烯的光傳輸特性可以被長波長光調製，在本發明中，我們製造了一個由同一石墨烯可飽和吸收體實現在1060/1550nm工作的被動同步調Q光纖雷射器的。同步過程中研究了脈衝的形成和在石墨烯可飽和吸收體中，1550nm雷射脈衝對1060nm處連續波的影響。研究結果可以表明，1550nm的雷射脈衝可以誘發1060nm的調Q雷射脈衝，並且通過石墨烯可飽和吸收體的交叉吸收調製效應可以實現雷射脈衝的同步。

附圖說明

圖1為本發明基於石墨烯的雙波長同步調Q光纖雷射器的光路示意圖。

圖2為雙波長同步雷射器的輸出光譜圖。

圖3當泵浦功率為430mw時的脈衝序列圖。

圖4為保持偏正PC狀態不變，使泵浦功率逐漸增大，1550nm和1060nm雷射脈衝的重複頻率、輸出脈衝功率以及脈衝寬度的變化圖。

具體實施方式

如圖1所示，本基於石墨烯的雙波長同步調Q光纖雷射器包括泵浦源1、980nm/1060nm波分復用器2、1550nm/1060nm波分復用器3、偏振控制器4、高增益摻鉺光纖5、高增益摻鐿光纖6、基於石墨烯可飽和吸收體7、1550nm/1060nm波分復用器8、1550nm的2∶8耦合輸出器9、1550nm隔離器10、1060nm的2∶8耦合輸出器11、1060nm隔離器12。基於石墨烯可飽和吸收體7是將單層石墨烯貼在直徑約8μm的光纖側面，並用氟化鎂支撐，上下兩個環狀分別屬於摻鉺光纖雷射器和摻鐿光纖雷射器，用3、8兩個1550nm/1060nm波分復用器連接；在1550nm環路中，加入一個1550nm的隔離器10(ISO)使雷射單向傳播，光從1550nm腔通過一個輸出20％的耦合器9。類似的在1060nm環路中，有一個1060nm的隔離器12(ISO)，和一個輸出為20％的耦合器11。

基於石墨烯的雙波長同步調Q光纖雷射器的製作方法的步驟如下：

1)首先將直徑約為125μm的單膜光纖進行拉錐處理，拉錐直徑製作為約8μm；

2)將拉錐處理的微納光纖鋪設在氟化鎂晶體的平板基片上，用膠水固定；

3)以PDMS為襯底對CVD生長的石墨烯進行轉移，將單層石墨烯貼合在微納光纖的拉錐處；

4)參考光路圖焊接各光學元件。

本發明的原理如下：

參照如圖1所示的光路示意圖連接光路。當980nm半導體雷射器發出的泵浦光由980/1060WDM和1550/1060WDM進入到摻鉺光纖和摻鐿光纖中時，將分別激發光纖中的鉺離子和鐿離子，產生以1550nm和1060nm為中心波長的自發輻射。其中較弱的正向自發輻射光在通過基於石墨烯的可飽和吸收體(GSA)、1550/1060WDM、2∶8耦合器後會遇到反向設置的隔離器而截至，不會在雷射產生中發揮作用。而較強的反向自發輻射光則通過偏振控制器後進入1060/1550WDM。在WDM的作用下，以1550nm和1060nm為中心的自發輻射光分別進入上下兩個光路中，各自經過隔離器、輸出耦合器後再經1550/1060WDM重新合在一起，共同進入基於石墨烯的可飽和吸收體(GSA)。在GSA中自發輻射光通過拉錐光纖產生倏逝波與光纖錐區表面的石墨烯相互作用，在石墨烯可飽和吸收特性的作用下形成多個光脈衝。同時，由於1550nm和1060nm的光會共同激發石墨烯中的電子，而導致更加強烈的可飽和吸收效應。因此，1550nm和1060nm自發輻射光最強的時候，光脈衝將會在與石墨烯的作用中獲得最高的透射率，因而實現1550nm和1060nm光脈衝的同步產生。此後，產生的同步光脈衝將經過摻鐿光纖和摻鉺光纖，並在泵浦光的作用下實現光脈衝的放大，再分別經過1550和1060兩個光環路，通過石墨烯的可飽和吸收效應保持並加強1550nm和1060nm光脈衝的同步性。因此，在本專利提出的結構中，1550nm和1060nm的光脈衝將由於石墨烯的可飽和吸收效應實現脈衝的產生和脈衝同步，在摻鉺和摻鐿光纖中實現能量的放大，最終實現調Q雷射脈衝的同步輸出。

圖2給出了雷射器正常工作時的輸出光譜。可以看到，中心波長分別為1550nm和1060nm附近的雷射同時產生並出現在光譜中，說明雷射器同時產生了兩個波長的雷射。圖3顯示了對兩個波長的雷射脈衝分別進行時域測量的結果。結果表明，1550nm和1060nm的雷射為脈衝輸出，且具有相同的重複周期與頻率，說明雙波長同步調Q脈衝已經形成。而兩列脈衝未完全重合是由於兩脈衝輸出後到達探測器經過的通路長度不相同造成的，可以很容易地通過光路的補償來實現。圖4為兩列雷射脈衝的平均輸出功率、峰值功率、重複頻率和脈衝寬度隨泵浦功率的變化。可以看到，兩列脈衝的重複頻率在很大的泵浦功率範圍內都可以保持相同，說明了該裝置的穩定性，並具有大的工作範圍，將具有廣闊的應用前景。