通过准直器切换波长的锁模光纤激光器系统的制作方法

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种通过准直器切换波长的锁模光纤激光器系统以及波长切换方法。

背景技术：

光纤激光器具有体积小、重量轻、转换效率高、输出激光光束质量好等优点，因此近年来得到迅猛发展。特别是锁模光纤激光器由于能够超短脉冲激光，在探测诊断、生物医药、精密微加工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、自锁模和混合锁模技术。其中被动锁模技术由于不需要外界附加调制源，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。

被动锁模光纤激光技术的基本原理是结合谐振腔中光纤的色散、激光的非线性效应、光纤对激光的增益与损耗四者之间的平衡，并且经过被动锁模元件对激光强度或相位的非线性吸收作用实现激光的相位锁定，从而获得超短脉冲激光输出。通常实现被动锁模的光纤激光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因对激光波长有选择性而不能普适。最近，石墨烯(Graphene)材料被发现可用作新型的可饱和吸收体，可用于光纤激光器锁模。石墨烯是由单层碳原子精密堆积成的二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料。作为饱和吸收体，石墨烯具有很宽的波长工作范围，并且制作简单，工艺多样化，可以利用物理机械剥离和化学沉积等方法实现。

全保偏锁模光纤激光器是可以实现线偏振超短脉冲激光输出的激光系统，激光腔内的增益光纤和传输光纤是由折射率横向异性的光纤组成，例如熊猫光纤等。相对于普通锁模光纤激光器，全保偏锁模光纤激光器的光纤双折射特征因不易受到周围环境温度及力矩的影响，输出的锁模激光更加稳定。并且，输出的线偏振激光在许多领域有更好的应用价值，例如精细微加工、科学研究等领域。

技术实现要素：

区别于以上NPR技术实现双波长锁模激光输出，本发明直接通过调节保偏光纤输出的近似线偏振激光的方位角分别在中心波长1532nm和1558nm处实现激光锁模输出。本发明提供了一种双波长调节更为方便，并可实现高消光比线偏振激光输出的超短脉冲光纤激光系统。通过准直器切换波长的锁模光纤激光器系统以及波长切换方法

本发明的技术解决方案是：通过一种通过石墨烯反射镜切换波长的锁模光纤激光器系统，所述系统包括依次连接的泵浦源、波分复用光纤耦合器、掺铒增益光纤、隔离器、第一光纤准直器、透射窗口、石墨烯可饱和吸收体、第二光纤准直器、输出耦合器和旋转架，其中所述石墨烯可饱和吸收体贴附于透射窗口表面，固定有第二光纤准直器的旋转架沿垂直于激光入射的方向旋转一定角度；从泵浦源出来的泵浦光通过波分复用光纤耦合器的泵浦端进入掺铒增益光纤，产生的信号光经过隔离器逆时针振荡放大进入第一光纤准直器生成准直光后，入射到透射窗口上，经过石墨烯可饱和吸收体的吸收后，入射到第二光纤准直器，通过固定有第二光纤准直器的旋转架的旋转，可微调从所述第二光纤准直器出射的近似线偏振光的偏振方位角，经过调节的出射光出射进入耦合器，分出一定比例的功率的激光输出。

优选地，所述波分复用光纤耦合器中的信号传输光纤包括保偏光纤。

优选地，所述泵浦源包括激光器和尾纤为单模光纤。

优选地，所述输出耦合器是输出比例30:70的保偏光纤耦合器。

优选地，所述旋转架设置成可以沿垂直于激光入射的方向旋转±30度之间。

优选地，所述透射窗口是对近红外波段光透射率大于90％的玻璃平片。

优选地，所述透射窗口和石墨烯可饱和吸收体放置在第一光纤准直器和第二光纤准直器，其间的间隔分别在0.1-2毫米之间。

优选地，所述石墨烯可饱和吸收体的层厚度是100nm-10um之间

优选地，所述石墨烯可饱和吸收体的层厚度是800nm-1um之间。

优选地，所述金属反射镜是反射率大于90％的镀金或镀银反射镜。

本发明具有以下优点：

1、本发明采用保偏光纤作为锁模光纤激光器的环形谐振腔，实现高消光比的线偏振激光输出。

2、本发明通过直接调节光纤准直器，改变入射激光偏振态的方位角，实现两个中心波长激光锁模输出，结构简单，操作便利。

3、本发明采用多层石墨烯饱和吸收体作为锁模器件，降低了制作成本和工艺难度，易于实现产业化。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1为本发明的通过准直器切换波长可调节的两个中心波长锁模的脉冲光纤激光系统石墨烯被动锁模光纤激光器的结构图。

图2为熊猫保偏光纤横向截面结构图。

图3为分辨率为0.02nm的光谱仪测量输出的锁模激光光谱图。

图4为带宽1GHz的示波器测量输出的锁模激光脉冲时域图。

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种通过准直器切换波长可调节的两个中心波长锁模的脉冲光纤激光系统，该系统100包括依次连接的泵浦源1、波分复用光纤耦合器2、掺铒增益光纤3、隔离器4、第一光纤准直器5、透射窗口6、石墨烯可饱和吸收体7、第二光纤准直器8、输出耦合器9和旋转架10。其中石墨烯可饱和吸收体7贴附于透射窗口6表面。

其中，从泵浦源1出来的泵浦光通过波分复用光纤耦合器2的泵浦端进入长度为1m的掺铒增益光纤3，产生的C+L波段的信号光经过隔离器4逆时针振荡放大。隔离器4对顺时针方向的信号光完全隔离，这种设计优点是可以完全滤除信号光中剩余的泵浦光。隔离后的光进入第一光纤准直器5生成准直光后，入射到透射窗口6上，经过石墨烯可饱和吸收体7的吸收后，入射到第二光纤准直器8。通过固定有第二光纤准直器8的旋转架10的旋转，可微调从第二光纤准直器8出射的近似线偏振光的偏振方位角。经过调节的出射光出射进入耦合器。最后，锁模放大的激光经过输出耦合器9分出一定比例的功率的激光输出。

通过精密三维平移台来控制旋转架10的旋转，从而实现激光高耦合效率进入光纤准直器8。通过旋转架10可微调从准直器8出射的近似线偏振光偏振方位角，相当于改变下面公式(1)中的θ角，同时也改变了光纤快轴和慢轴分量和相位延迟，实现调节不同波长处激光的增益与损耗。最终可实现在中心波长1532nm和1558nm处分别实现激光锁模输出最后。图2为熊猫保偏光纤横向截面结构图。

在上面公式中，T代表传输系数，θ代表起偏角，代表检偏角，Δφ_PC、Δφ_LB和Δφ_NL分别代表偏振控制器、光纤双折射和非线性效应引起的位相延迟，L和B_m分别代表激光腔长和光纤归一化双折射率。其中，光纤双折射引发的位相延迟随波长成反比例变化，可以实现滤波功能。

优选地，所述泵浦源1包括激光器和尾纤为单模光纤；

所述掺铒增益光纤是对泵浦光高吸收比的高浓度保偏掺铒光纤。

优选地，所述输出耦合器是输出比例30:70的保偏光纤耦合器，即锁模放大的激光经过输出耦合器7分出30％的功率的激光输出。

旋转架10设置成可以沿着图1所示的方向，即沿着垂直于激光入射的方向旋转一定角度，如图1所示的角度A，例如±30度之间。

所述透射窗口6是对近红外波段光透射率大于90％的玻璃平片。

优选地，波分复用光纤耦合器中的信号传输光纤包括保偏光纤。

根据本发明，掺铒增益光纤3的芯径由所采用的有源光纤决定，包层芯径优选为125μm，光纤纤芯的芯径可以选用4μm、8μm或10μm，优选为10/125μm。根据本发明具体实施例，光纤的类型应与泵浦源1的泵浦波长相匹配。

掺铒光纤所匹配的泵浦波长可采用980nm或1480nm，根据波长和芯径参数进一步确定波分复用光纤耦合器2的参数。最终出射的激光波长在有源光纤一定增益范围内(如1530-1560nm)由布拉格光纤光栅的反射波长确定。掺铒光纤的典型出射波长为1064nm。

例如，在本实施例中，若选用芯径为10/125μm掺铒光纤作为增益介质。泵浦源1输出波长976nm，可在该范围内获得激光输出。实验中若选用芯径为10/125μm掺铒光纤作为增益介质，泵浦源1的尾纤需选取同样型号芯径。泵浦源1为915nm单模输出，可在该范围内获得激光输出。

如图1所示，通过精密三维平移台来控制旋转架10的旋转，从而实现激光高耦合效率进入光纤准直器8。通过旋转架10可微调从准直器8出射的近似线偏振光偏振方位角。

透射窗口6和石墨烯可饱和吸收体7放置在第一光纤准直器5和第二光纤准直器8，其间的间隔分别例如间隔在0.1-2毫米之间，尽量增加反射的信号光的耦合输入。

所述石墨烯饱和吸收体7可通过机械剥离及化学合成等方法制备出单层石墨烯膜，然后通过湿法转移或干法转移等贴附在金属镜面，可通过层层叠加方法，制备出5-10层石墨烯饱和吸收体。石墨烯可饱和吸收体6的层厚度例如是100nm-10um之间，优选在800nm-1um之间。

所述金属反射镜是反射率大于90％的镀金或镀银反射镜。

通过旋转架10可微调从准直器8出射的近似线偏振光偏振方位角，可改变入射光偏振态方位角和正交偏振态的相位延迟，如公式(2)所示的旋转架10反射的偏振光方位角和正交偏振态的相位延迟与入射光的偏振态关系。

tanα_r＝Pe^-iΔφtanα_i (2)

在上式中，α_r和α_i分别表示反射和入射线偏振态激光的方位角，P代表反射系数，Δφ代表快慢轴的相位延迟。所以，通过精密调节旋转架10的反射角度，可改变反射光的偏振态方位角及正交偏振分量的相位延迟，进而，根据公式(1)，实现调节不同波长激光的增益与损耗。最终可分别在中心波长1532nm和1558nm处实现激光锁模输出。

图3为分辨率为0.02nm的光谱仪测量输出的锁模激光光谱图。图4为带宽1GHz的示波器测量输出的锁模激光脉冲时域图。

根据本发明的掺铒光纤激光器可以旋转架10可微调透射经过石墨烯饱和吸收体层到准直器8出射的角度，从而可改变入射光偏振态方位角和正交偏振态的相位延迟，可以实现1532nm和1558nm两个中心波长锁模，从而可以改变对应波长的激光透射率和增益与损耗，实现不同波长激光放大同时锁模。

通过本发明采用保偏光纤作为锁模光纤激光器的环形谐振腔，实现高消光比的线偏振激光输出；改变入射激光偏振态的方位角，实现两个中心波长激光锁模输出，结构简单，操作便利；本发明采用多层石墨烯饱和吸收体作为锁模器件，降低了制作成本和工艺难度，易于实现产业化。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。