[发明专利]石墨烯包覆在内置微结构的多模光纤表面可饱和吸收体

说明书

本发明公开了一种石墨烯包覆在内置微结构的多模光纤表面可饱和吸收体器件，采用石墨烯与渐变折射率多模光纤共同作用的混合结构。所述可饱和吸收体器件包括第一单模光纤、基于多模光纤的混合结构、第二单模光纤。所述基于多模光纤的混合结构由内置微结构的锥形渐变折射率多模光纤和单层石墨烯薄膜构成。渐变折射率多模光纤首先进行微拉锥处理，其次在锥腰处纤芯内部刻写微结构，然后在光纤锥腰表面包覆石墨烯薄膜，最后在多模光纤两端熔接单模光纤。所述的可饱和吸收体结合了多模光纤中的非线性多模干涉效应和石墨烯的可饱和吸收特性，可对高能量脉冲的脉宽进行二次压缩，从而获得超短脉冲。本发明具有结构坚固、稳定性强、损伤阈值高等优点，为获得稳定的超短脉冲锁模提供了一种有效的技术手段。

技术领域

本发明涉及光纤激光器和非线性光学技术领域，更具体涉及一种石墨烯包覆在内置微结构的多模光纤表面可饱和吸收体器件。

技术背景

可饱和吸收体是被动锁模激光器中产生超短脉冲的关键部件，大调制深度的可饱和吸收体可支持高脉冲能量且有助于产生超快孤子，在多孤子脉冲动力学研究等方面扮演了重要的角色。目前，主要报道了两种常用的可饱和吸收体。第一类是基于材料自身的可饱和吸收特性，包括半导体可饱和吸收棱镜、二维纳米材料如单碳纳米管，拓扑绝缘体，石墨烯，过渡族金属二硫属化物和黑鳞等；其中，半导体可饱和吸收棱镜是最早也是最成熟的技术，但是，由于高成本，低损伤阈值以及窄工作带宽限制了其应用。第二类是利用光学元件的非线性或双折射效应，如非线性偏转旋转技术和非线性放大环形镜，但是这种装置在实际应用中稳定性较差。

相较于传统的可饱和吸收棱镜和单碳纳米管，石墨烯的损伤阈值高，恢复时间快，性能稳定。此外，作为一种零带隙的特殊半导体，石墨烯对几乎所有波段的光都有吸收，决定了它是一种超宽带的超快可饱和吸收体，常见的方法是将石墨烯沉积在侧面抛光的D型光纤或锥形光纤，光以倏逝波的形式与石墨烯相互作用实现锁模。自“单模-多模-单模混合结构”作为可饱和吸收体这一理论被提出以来，基于渐变折射率多模光纤中的多模干涉效应的全光纤锁模激光器就吸引了人们的广泛研究，渐变折射率多模光纤为超短脉冲的产生提供了大量新颖而复杂的非线性现象。但在实际应用中需要精确控制多模光纤的长度，这无疑增加了生产难度和成本。

本发明提出了一种基于非线性多模干涉和石墨烯共同作用的可饱和吸收体，这是首次将两种可饱和吸收机制进行结合，充分利用了石墨烯在饱和吸收方面的优势，同时消除了非线性多模干涉效应中需要对多模光纤长度精密控制这一缺陷，可用于被动锁模激光器中，获得稳定的超短脉冲。

发明内容

鉴于现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种石墨烯包覆在内置微结构的多模光纤表面可饱和吸收体，并应用于被动锁模光纤激光器，获得稳定的超短脉冲输出。其主要的优点在于结构坚固且紧凑、性能稳定、制造成本低。

根据所提出的目的，本发明用以解决技术问题所采取的技术措施为：采用石墨烯与渐变折射率多模光纤共同作用的混合结构。所述可饱和吸收体器件包括第一单模光纤、基于多模光纤的混合结构、第二单模光纤。所述基于多模光纤的混合结构由内置微结构的锥形渐变折射率多模光纤和少层石墨烯薄膜构成。渐变折射率多模光纤首先进行微拉锥处理，其次在锥腰处纤芯内部刻写微结构，然后在光纤锥腰表面包覆一层石墨烯薄膜，最后在多模光纤两端熔接单模光纤。所述的可饱和吸收体结合了多模光纤中的非线性多模干涉效应和石墨烯的可饱和吸收特性，可对高能量脉冲的脉宽进行二次压缩，从而获得超短脉冲。

优选的，所述基于多模光纤的混合结构包括一段刻写有微结构的锥形多模光纤和单层石墨烯，所述单层石墨烯包覆在所述锥形多模光纤的锥腰位置的表面。

优选的，所述锥形多模光纤由光纤拉锥机对渐变折射率多模光纤拉锥制作而成，其长度为27cm,锥腰处的直径为60μm。

优选的，所述内置微结构由飞秒微加工技术刻写在锥形多模光纤锥腰处纤芯的内部，微结构是边长为10μm的正方体形状。