基于石墨烯的双波长同步调Q光纤激光器的制作方法

本发明涉及一种激光器，特别是涉及一种基于石墨烯的双波长同步调Q光纤激光器。

背景技术：

光纤激光器具有其它传统的激光器所无法比拟的高转换效率、高输出功率、高光束质量、高稳定性、宽带可调性和易小型化、无需制冷、维护简单等特点。

双波长同步调Q脉冲激光源因在波分复用系统、光子微波信号处理、太赫兹产生源等领域具有巨大的潜在应用，引起了国内外激光科学家的广泛兴趣。然而，目前大多数调Q光纤激光器仅单一波长激射，实现双波长的同步调Q激光脉冲仍少有报道。因此开发一种低成本的双波长同步调Q光纤激光器显得非常必要。

石墨烯自2004年发现至2010年被授予诺贝尔物理学奖，短短6年时间便成为国际研究的热点并得到学术界的广泛认可。石墨烯是零带隙的半导体材料，其能带结构在K空间呈对顶的双锥形，费米能级在狄拉克点之上。正是石墨烯这种独特的能带结构，使得石墨烯具有宽光带的相互作用，可以覆盖可见光和近红外。另外由于泡里阻塞现象的存在，石墨烯存在可饱和吸收现象。在石墨烯的可饱和吸收过程中存在两个特征弛豫时间：通过载流子-载流子散射实现的带内载流子热平衡，以及随后的载流子-声子散射和带间载流子复合过程。带内载流子热平衡时间极短，在10-107fs范围内。带间载流子热平衡的时间较长，在0.4-1.7ps左右。可见石墨烯的可饱和吸收特性的时间响应能力是极快的。由于石墨烯的泡里阻塞效应，当两束光与石墨烯相互作用时就会产生交叉吸收调制作用。基于石墨烯的交叉吸收调制特性，石墨烯可以充当多波长同步调Q激光器的可饱和吸收体。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于石墨烯的双波长同步调Q光纤激光器。

本发明设有波分复用器、增益光纤、光隔离器、输出光耦合器、泵浦源、偏振控制器、基于石墨烯的可饱和吸收体。

所述双波长同步调Q光纤激光器由两个环形腔构成，两个环形腔分别充当1550nm波长和1060nm波长激光的谐振腔。泵浦源输出的泵浦光通过波分复用器的泵浦输入端注两个环形腔的公共部分，光耦合器的输出端用于输出腔内震荡产生的同步调Q脉冲。

所述双波长被动调Q开关采用通过将石墨烯材料附着于微纳光纤的倏逝场上构建。石墨烯通过PDMS为衬底来进行转移，与氟化镁晶体共同形成被动调Q开关。

本发明利用石墨烯材料的强可饱和吸收特性的同时，还利用了石墨烯对两束光的交叉吸收调制特性，使两个环形腔形成的双波长调Q激光脉冲实现同步输出。

基于石墨烯的双波长同步调Q光纤激光器的制作方法的步骤包括如下：

1)首先将直径约为125μm的单膜光纤进行拉锥处理，拉锥直径制作为约1-10μm；

2)将拉锥处理的微纳光纤铺设在氟化镁晶体的平板基片上，用胶水固定；

3)以PDMS为衬底对CVD生长的石墨烯进行转移，将单层石墨烯贴合在微纳光纤的拉锥处；

4)参考光路图焊接各光学元件。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果如下：本发明利用石墨烯材料的强可饱和吸收特性的同时，还利用了石墨烯对两束光的交叉吸收调制特性，使两个环形腔形成的双波长调Q激光脉冲实现同步输出。石墨烯的光传输特性可以被长波长光调制，在本发明中，我们制造了一个由同一石墨烯可饱和吸收体实现在1060/1550nm工作的被动同步调Q光纤激光器的。同步过程中研究了脉冲的形成和在石墨烯可饱和吸收体中，1550nm激光脉冲对1060nm处连续波的影响。研究结果可以表明，1550nm的激光脉冲可以诱发1060nm的调Q激光脉冲，并且通过石墨烯可饱和吸收体的交叉吸收调制效应可以实现激光脉冲的同步。

附图说明

图1为本发明基于石墨烯的双波长同步调Q光纤激光器的光路示意图。

图2为双波长同步激光器的输出光谱图。

图3当泵浦功率为430mw时的脉冲序列图。

图4为保持偏正PC状态不变，使泵浦功率逐渐增大，1550nm和1060nm激光脉冲的重复频率、输出脉冲功率以及脉冲宽度的变化图。

具体实施方式

如图1所示，本基于石墨烯的双波长同步调Q光纤激光器包括泵浦源1、980nm/1060nm波分复用器2、1550nm/1060nm波分复用器3、偏振控制器4、高增益掺铒光纤5、高增益掺镱光纤6、基于石墨烯可饱和吸收体7、1550nm/1060nm波分复用器8、1550nm的2∶8耦合输出器9、1550nm隔离器10、1060nm的2∶8耦合输出器11、1060nm隔离器12。基于石墨烯可饱和吸收体7是将单层石墨烯贴在直径约8μm的光纤侧面，并用氟化镁支撑，上下两个环状分别属于掺铒光纤激光器和掺镱光纤激光器，用3、8两个1550nm/1060nm波分复用器连接；在1550nm环路中，加入一个1550nm的隔离器10(ISO)使激光单向传播，光从1550nm腔通过一个输出20％的耦合器9。类似的在1060nm环路中，有一个1060nm的隔离器12(ISO)，和一个输出为20％的耦合器11。

基于石墨烯的双波长同步调Q光纤激光器的制作方法的步骤如下：

1)首先将直径约为125μm的单膜光纤进行拉锥处理，拉锥直径制作为约8μm；

2)将拉锥处理的微纳光纤铺设在氟化镁晶体的平板基片上，用胶水固定；

3)以PDMS为衬底对CVD生长的石墨烯进行转移，将单层石墨烯贴合在微纳光纤的拉锥处；

4)参考光路图焊接各光学元件。

本发明的原理如下：

参照如图1所示的光路示意图连接光路。当980nm半导体激光器发出的泵浦光由980/1060WDM和1550/1060WDM进入到掺铒光纤和掺镱光纤中时，将分别激发光纤中的铒离子和镱离子，产生以1550nm和1060nm为中心波长的自发辐射。其中较弱的正向自发辐射光在通过基于石墨烯的可饱和吸收体(GSA)、1550/1060WDM、2∶8耦合器后会遇到反向设置的隔离器而截至，不会在激光产生中发挥作用。而较强的反向自发辐射光则通过偏振控制器后进入1060/1550WDM。在WDM的作用下，以1550nm和1060nm为中心的自发辐射光分别进入上下两个光路中，各自经过隔离器、输出耦合器后再经1550/1060WDM重新合在一起，共同进入基于石墨烯的可饱和吸收体(GSA)。在GSA中自发辐射光通过拉锥光纤产生倏逝波与光纤锥区表面的石墨烯相互作用，在石墨烯可饱和吸收特性的作用下形成多个光脉冲。同时，由于1550nm和1060nm的光会共同激发石墨烯中的电子，而导致更加强烈的可饱和吸收效应。因此，1550nm和1060nm自发辐射光最强的时候，光脉冲将会在与石墨烯的作用中获得最高的透射率，因而实现1550nm和1060nm光脉冲的同步产生。此后，产生的同步光脉冲将经过掺镱光纤和掺铒光纤，并在泵浦光的作用下实现光脉冲的放大，再分别经过1550和1060两个光环路，通过石墨烯的可饱和吸收效应保持并加强1550nm和1060nm光脉冲的同步性。因此，在本专利提出的结构中，1550nm和1060nm的光脉冲将由于石墨烯的可饱和吸收效应实现脉冲的产生和脉冲同步，在掺铒和掺镱光纤中实现能量的放大，最终实现调Q激光脉冲的同步输出。

图2给出了激光器正常工作时的输出光谱。可以看到，中心波长分别为1550nm和1060nm附近的激光同时产生并出现在光谱中，说明激光器同时产生了两个波长的激光。图3显示了对两个波长的激光脉冲分别进行时域测量的结果。结果表明，1550nm和1060nm的激光为脉冲输出，且具有相同的重复周期与频率，说明双波长同步调Q脉冲已经形成。而两列脉冲未完全重合是由于两脉冲输出后到达探测器经过的通路长度不相同造成的，可以很容易地通过光路的补偿来实现。图4为两列激光脉冲的平均输出功率、峰值功率、重复频率和脉冲宽度随泵浦功率的变化。可以看到，两列脉冲的重复频率在很大的泵浦功率范围内都可以保持相同，说明了该装置的稳定性，并具有大的工作范围，将具有广阔的应用前景。