[发明专利]石墨烯被动锁模光纤激光器

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯被动锁模光纤激光器，属于激光技术以及非线性光学领域。

背景技术

光纤激光器具有体积小、重量轻、转换效率高、输出光束质量好等优点，近年来得到了迅猛发展。特别是锁模光纤激光器由于能够产生高频率的超短脉冲，在光通信系统、光电传感、探测诊断、生物医学、精密微加工和和军事等众多领域有着广阔的前景。锁模技术主要可分为主动锁模、被动锁模以及混合锁模技术。其中被动锁模技术由于不需外界附加调制源，易于实现全光纤化的优势，成为研究的热点，有着重要的实际应用意义。

被动锁模技术产生皮秒或飞秒脉冲的基本原理是利用光纤或其他元件中的非线性光学效应对输入脉冲的强度依赖性，实现各纵模相位锁定，进而产生超短脉冲。通常实现被动锁模的技术有半导体可饱和吸收镜(SESAM)、碳纳米管(SWNT)等技术，但是这两种技术都存在一些不足。SESAM制作工艺复杂、生产成本高、可饱和吸收光谱范围相对较窄。SWNT虽然具有成本低廉、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，导致SWNT对某些特定的激光波长而言，增加了插入损耗，导致可饱和吸收效应不明显。

最近，石墨烯(graphene)材料被发现可作为一种新型的可饱和吸收体用于光纤激光器锁模。石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构建其他维度碳质材料(如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨)的基本单元。2004年，英国曼彻斯特大学的科学家安德烈·盖姆(AndreGeim)和康斯坦丁·诺沃肖罗夫(Konstantin Novoselov)首次通过机械剥离的方法从大块石墨上得到了这种纳米级的石墨烯薄片。由于石墨烯具有优异的电学、力学和光学性能，可望在高性能电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域得到广泛的应用。

发明内容

由于石墨烯可饱和吸收体具有制备简单、价格低廉、可饱和吸收光谱范围宽、锁模效果好等优点，因此本发明采用石墨烯作为可饱和吸收体用于光纤激光器锁模。很好的解决了半导体可饱和吸收镜(SESAM)和碳纳米管(SWNT)锁模技术中存在的制作工艺复杂、生产成本高、可饱和吸收光谱范围相对较窄等问题。本发明可以产生高重频、高能量的超短激光脉冲，经过放大后的锁模种子光可直接进行材料微加工，以及中红外激光器泵浦源等，有着广泛的应用前景。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。主要包括泵浦源、波分复用光纤耦合器、增益光纤、输出耦合器、单模光纤、环形器、石墨烯可饱和吸收体、偏振控制器、隔离器、部分反射型光纤布拉格光栅、全反射型光纤布拉格光栅和反射镜等。上述的石墨烯锁模光纤激光器可采用环形腔或线形腔等结构。

一种石墨烯被动锁模光纤激光器，泵浦源1连接波分复用光纤耦合器2的泵浦输入端；波分复用光纤耦合器2的公共端连接增益光纤3；增益光纤3的另一端连接输出耦合器4；输出耦合器4有两路激光输出端口，一路作为激光的直接输出，另一路光连接到单模光纤5，单模光纤5与环形器6的输入端相连；石墨烯可饱和吸收体7位于环形器6的公共端；环形器6的输出端与偏振控制器8相连接，偏振控制器8又连接到波分复用光纤耦合器2的输入端；上述的波分复用光纤耦合器2、增益光纤3、输出耦合器4、单模光纤5、环形器6、偏振控制器8构成一个环形腔结构。

一种石墨烯被动锁模光纤激光器，泵浦源1连接波分复用光纤耦合器2的泵浦输入端；波分复用光纤耦合器2的公共端连接增益光纤3；增益光纤3的另一端连接隔离器9；隔离器9的输出端与输出耦合器4相连；输出耦合器4有两路激光输出，一路直接输出激光，另一路通过石墨烯可饱和吸收体7连接至偏振控制器8，偏振控制器8又连接到波分复用光纤耦合器2的输入端；上述的波分复用光纤耦合器2、增益光纤3、隔离器9、输出耦合器4、单模光纤5、石墨烯可饱和吸收体7、偏振控制器8构成一个环形腔结构。

一种石墨烯被动锁模光纤激光器，泵浦源1连接波分复用光纤耦合器2的泵浦输入端；波分复用光纤耦合器2的公共端连接部分反射型光纤布拉格光栅10；部分反射型光纤布拉格光栅10有两路光路输出，一路输出将激光沿原传播方向相反的方向反射，一路输出沿原光路传播方向连接至单模光纤5，单模光纤5的另一端与增益光纤3的一端相连，增益光纤3的另一端连接石墨烯可饱和吸收体7；部分反射型光纤布拉格光栅10和石墨烯可饱和吸收体7之间由部分反射型光纤布拉格光栅10、单模光纤5、增益光纤3、石墨烯可饱和吸收体7构成谐振腔；波分复用光纤耦合器2上留有一个腔内光输出的输出端口；