[发明专利]一种基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器

说明书

技术领域

本发明涉及可调谐锁模光纤激光器，特别是提供了一种基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器。

背景技术

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、光纤传感、探测诊断、生物医学、精密微加工、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。

被动锁模能在激光腔内不使用调制器之类的任何有源器件的情况下实现超短脉冲输出，基本原理是利用非线性器件对输入光脉冲的响应强度相关的特性，实现各纵模相位锁定，进而产生超短光脉冲。可饱和吸收体锁模是最常用的一种被动锁模。早在20世纪70年代，可饱和吸收体就已用于被动锁模。可饱和吸收体主要包括半导体可饱和吸收镜（SESAM）、碳纳米管（SWNT）以及石墨烯。

石墨烯在2009年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。石墨烯是单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质材料，是构建其它维度碳质材料（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Novoselov等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。

可调谐锁模光纤激光器是光纤通信系统、光纤传感系统升级扩容的关键器件，可调谐脉冲光源在实现光波分复用-时分复用系统中起着重要的作用。

目前为了实现可调谐锁模光纤激光器，采用的是主动锁模的方式，1999年，《光子学报》的文章“10GHz可调谐主动锁模光纤激光器”报道了解决主动锁模光纤激光器不稳定性的解决方法，由于主动锁模技术要求LiNbO₃调制器的调制频率与激光纵模间隔相当精确的匹配，但实际应用中很难实现，为此利用时钟提取电路、相位控制器和微波放大器从激光输出中提取频率适当的电信号，然后将其加到调制器上进行调制，由此，可见主动锁模采用的器件数量众多、繁杂，整个系统非常复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可调谐锁模光纤激光器，并且保证系统结构简单、工作稳定可靠且成本较低。

本发明的技术原理为：采用光纤布拉格光栅实现光纤激光器的可调谐输出，同时采用石墨烯实现光纤激光器的锁模输出。

由于光纤布拉格光栅的反射谱的中心波长随着光纤光栅的应变发生线性变化，所以通过调节压电陶瓷的驱动电压时，可实现压电陶瓷伸缩的应变调节，继而实现胶粘固定在压电陶瓷上的光纤布拉格光栅的反射谱的中心波长的调节，也就是通过改变光纤激光器的两个腔镜的反射波中心长，实现了输出激光的波长调谐。

石墨烯具有优异的可饱和吸收特性。当光强较弱的时候，价带电子能够通过吸收光子而跃迁到导带；但是随着光强的进一步增强，导带很容易填满，由于泡利不相容原理的作用，价带电子就不能进一步吸收光子，光子就可以无损耗地通过石墨烯，即高光强条件下，石墨烯具有较高的透射率。石墨烯材料饱和吸收波段非常宽，可覆盖从可见光到中红外（400nm-2500nm）波段，可作为可饱和吸收体实现宽带可调谐光纤激光的锁模输出。

本发明结合了光纤布拉格光栅波长可调谐的特点和石墨烯可饱和吸收体的宽带可饱和吸收特性，实现了结构紧凑、稳定可靠、成本低廉的可调谐锁模光纤激光器。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器，包括通过单模光纤连接的泵浦源、波分复用器、掺杂增益光纤、偏振控制器、石墨烯锁模器、低反射率光纤布拉格光栅、高反射率光纤布拉格光栅以及压电陶瓷；

其中高反射光纤布拉格光栅通过单模光纤连接在光纤激光器的反射端，低反射光纤布拉格光栅通过单模光纤连接在光纤激光器的输出端，石墨烯锁模器通过单模光纤连接在掺杂增益光纤和偏振控制器之间；低反射率光纤布拉格光栅和高反射率光纤布拉格光栅固定在压电陶瓷上，并通过压电陶瓷的伸缩实现光纤布拉格光栅的波长调谐。

上述基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器中，低反射率光纤布拉格光栅和高反射率光纤布拉格光栅的材料和周期长度相同，且粘接在同一块压电陶瓷上。

上述基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器中，石墨烯锁模器包括光纤法兰盘、沉积有石墨烯薄膜的光纤端头和未沉积石墨烯薄膜的光纤端头，沉积有石墨烯薄膜的光纤端头和未沉积石墨烯薄膜的光纤端头通过光纤法兰盘同轴耦合连接为一体。

上述基于光纤光栅和石墨烯的可调谐锁模光纤激光器中，低反射率光纤布拉格光栅对输出激光波长的反射率为70%～90%。