一种被动锁模光纤激光器的制作方法

本发明属于光纤通信和光电子技术领域，特别是一种被动锁模光纤激光器。

背景技术：

光纤激光器具有光束质量好、效率高、稳定性好、结构紧凑、成本低廉、易于散热、易于实现高功率、易维护多种特点，受到人们的广泛关注。尤其是具有高光束质量、高输出功率、高稳定性的调、锁模脉冲光纤激光器，在生物医疗、激光通信、激光测距、激光武器、激光加工等多种领域有着广阔的应用前景。在现代众多的应用领域，特别是光学频率梳和光纤授时领域中，需要低时域抖动、高重复频率的飞秒脉冲。锁模技术可以实现高峰值功率的飞秒或皮秒量级的脉冲输出，锁模机制主要包括主动锁模、被动锁模以及主被动混合锁模三种。相较之下，被动锁模光纤激光器结构简单、体积小、价格低廉、稳定性高，再加上光谱宽、脉宽窄，很容易实现fs级别的锁模，受到了广大研究人员的高度关注。根据锁模机制的不同，被动锁模光纤激光器主要可分为可饱和吸收体锁模、非线性偏振旋转锁模和8字腔锁模。非线性偏振旋转锁模是基于非线性双折射效应的等效快可饱和吸收体，但产生的脉冲受到谐振腔偏振态的影响，脉冲往往不够稳定，而单纯的可饱和吸收体锁模又往往难以获得超短脉冲。

技术实现要素：
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黑磷为直接带隙材料，单原子层黑磷的带隙为1.8ev，多原子层黑磷的带隙为0.3ev，理论上可通过改变黑磷的厚度来调节其带隙，可以使吸收波长从600nm到4100nm之间变化，适用于从可见光到中红外波段的激光器。相比碳纳米管，它可以实现更宽波段的吸收；相比石墨烯，它有更大的共振吸收(20％-30％)，因此是一种非常有潜力的超宽带可饱和吸收材料。黑磷有潜力替代sesam成为超短脉冲光纤激光器和固体激光器中的可饱和吸收体材料。

光纤起偏器是利用特殊的光纤结构使入射光变为线偏振光的光器件。将普通单模光纤嵌入石英块中有一定曲率的沟槽内，磨抛去掉部分包层使光纤具d形截面，磨抛平面与光纤芯区保留一定厚度的残留包层，而后在其上真空蒸镀金属薄层(或非金属介质薄层)，然后将黑磷材料设置到d型凹槽内，普通单模光纤中的光可分解成电场相互正交的两个线偏振成分，利用光纤与黑磷材料的耦合作用，可使光纤入射端的入射光从光纤耦合进黑磷原子平面中，电场相互正交的两个线偏振成分经过光纤起偏器时损耗不同，电场方向垂直于光纤的磨抛平面的tm波被蒸镀金属薄层(或非金属介质薄层)吸收，而平行于黑磷平面的te波传导良好，在经过黑磷作用区域后的光变为沿平行于黑磷平面方向的线偏振光，从而在输出端实现偏振功能。

针对上述技术分析，本发明提供一种基于二维黑磷起偏器的被动锁模光纤激光器，该激光器中引入一种二维黑磷起偏器，该器件既是非线性偏振旋转锁模的关键器件，也有可饱和吸收体的作用，使得激光器的结构紧凑，产生的脉冲可应用于光纤通信、光纤传感等诸多领域。

本发明的技术方案：

一种被动锁模光纤激光器，包括掺铒光纤放大器、20:80耦合器、光隔离器、偏振控制器、二维黑磷起偏器组成，其中20:80耦合器有a、b、c三个端口，其余器件均有两个端口；掺铒光纤放大器的输出端与20:80耦合器的公共端a端口连接，20:80耦合器的b端口(80％端口)与光隔离器的输入端相连，20:80耦合器的c端口是激光器的输出端口，光隔离器的输出端与偏振控制器的一端相连，偏振控制器的另一端与二维黑磷起偏器的输入端相连，二维黑磷起偏器的输出端与掺铒光纤放大器的输入端相连；其中二维黑磷起偏器由光纤入射端、光纤出射端、d型凹槽、二维黑磷纳米薄片、光纤纤芯、光纤包层、金属薄层或非金属介质薄层组成，偏振方向不固定的入射光从入射端进入二维黑磷纳米薄片，偏振方向随其在二维黑磷纳米薄片上传播发生变化，最终由光纤出射端导出，得到线偏振光。

以上所述的二维黑磷起偏器是在单模光纤的d型凹槽镀有介质薄层，并在介质薄层上放置二维黑磷纳米薄片，d型凹槽作为光纤到二维黑磷纳米薄片的耦合装置，可使入射光从光纤耦合进黑磷原子平片。

本发明的工作原理：

非线性偏振旋转技术主要是通过类似的可饱和吸收体来实现自起振，产生锁模脉冲的输出，经过二维黑磷起偏器之后的线偏振光通过偏振控制器的调整，变为椭圆偏振光。由于腔内的非线性效应，椭圆偏振光两个相互垂直的偏振分量产生不同的相移从而使偏振态旋转。通过偏振控制器调整偏振光的状态，使得光经过隔离器时脉冲峰值部分透过最多，脉冲前后沿部分被隔离，光信号在腔内循环形成锁模脉冲。利用非线性偏振旋转锁模技术实现的被动锁模光纤激光器损耗阈值低，结构简单，输出脉冲功率高。二维黑磷同时具有可饱和吸收特性，吸收系数依赖于腔内光强的变化。腔内光子由于噪声的存在产生起伏，在通过可饱和吸收体时，强信号部分透过率较高，弱信号部分透过率较低，在腔内经过多次循环形成脉冲且脉冲逐渐压缩，最终形成了超短脉冲。

本发明的优点是：

一、本发明一种被动锁模光纤激光器，将起偏器和可饱和吸收体集成到一起，结构紧凑，成本低。

二、本发明一种被动锁模光纤激光器，脉宽窄，脉冲重复频率高，能够在常温下稳定工作。

附图说明

图1是本发明一种被动锁模光纤激光器结构示意图

图2是二维黑磷起偏器的结构示意图

图3是二维黑磷起偏器的截面图

图中：1、掺铒光纤放大器2、20:80耦合器3、光隔离器4、偏振控制器5、二维黑磷起偏器51、光纤入射端52、光纤出射端53、d型凹槽54、二维黑磷纳米薄片55、光纤纤芯56、光纤包层57、金属薄层(或非金属介质薄层)。

具体实施方式

一种被动锁模光纤激光器，由掺铒光纤放大器1、20:80耦合器2、光隔离器3、偏振控制器4、二维黑磷起偏器5组成；二维黑磷起偏器5由光纤入射端51、光纤出射端52、d型凹槽53、二维黑磷纳米薄片54、光纤纤芯55、光纤包层56、金属薄层(或非金属介质薄层)57组成，其中20:80耦合器2有a、b、c三个端口，其余器件均有两个端口。掺铒光纤放大器1的输出端与20:80耦合器2的公共端a端口连接，20:80耦合器2的b端口(80％端口)与光隔离器3的输入端相连，20:80耦合器3的c端口是激光器的输出端口，光隔离器3的输出端与偏振控制器4的一端相连，偏振控制器4的另一端与二维黑磷起偏器5的输入端相连，二维黑磷起偏器5的输出端与掺铒光纤放大器1的输入端相连；

所述二维黑磷起偏器5是在单模光纤的d型凹槽53镀有金属薄层(或非金属介质薄层)57，并在金属薄层(或非金属介质薄层)57上放置二维黑磷纳米薄片54，d型凹槽53作为光纤到二维黑磷纳米薄片54的耦合装置，可使入射光从光纤耦合进黑磷原子平片。在实际工作中，偏振方向不固定的入射光从入射端进入二维黑磷纳米薄片54，偏振方向随其在二维黑磷纳米薄片54上传播发生变化，最终由光纤出射端52导出，得到线偏振光，二维黑磷起偏器5有两个功能，除了作为起偏器，也可以作为可饱和吸收体，窄化脉冲，形成被动锁模激光。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。