基于单模‑内置微腔的渐变多模‑单模结构的可饱和吸收体器件的制作方法

本发明涉及属于激光技术及非线性光学领域。尤其是一种基于单模-内置微腔的渐变多模-单模结构的可饱和吸收体。

背景技术：

可饱和吸收体器件是实现被动锁模超短脉冲光纤激光器最为关键的光学器件。这种器件能够满足特定的损耗关系，即当通过该器件的脉冲能量增强时，其光学损耗变小，透过率增大。目前，常用的可饱和吸收体器件包括半导体可饱和吸收镜（sesam）、碳纳米管、以石墨烯为代表的新型二维材料以及基于非线性偏振旋转（npr）效应的等效可饱和吸收体。然而，这些常见的可饱和吸收体仍然存在着一定的缺陷，例如：sesam的响应时间通常只能达到皮秒量级，使得它们在产生飞秒量级的超短脉冲方面不太理想，并且与光纤之间较大的耦合损耗会限制激光转化效率的提升。碳纳米管和石墨烯等可饱和吸收体材料容易被污染，长期可靠性较差以及较低的损伤阈值等材料缺陷也极大的限制了激光器的输出功率与使用寿命。基于npr的可饱和吸收体对外界环境的扰动比较敏感，一般在实验室环境下使用。可靠的可饱和吸收体的需要具有快速响应时间（弛豫时间）、高稳定性、长期可靠性、易用性、适当的饱和通量和低损耗等良好特性。

近年来，多模光纤中的多模干涉效应已得到深入研究并已成功应用于各种光纤器件，在线性应用上，包括了波束整形器，传感器和滤波器等。其中，渐变折射率多模光纤由于具有自激发的高阶模数量少、模式色散小等优势，受到了越来越广泛的关注。由于渐变折射率多模光纤可以减少模式色散，并且其模式的传播常数是等距的，所以其光信号自聚焦长度可以很短，甚至小于1mm，因此，渐变折射率多模光纤中的非线性效应（如：四波混频、自相位调制以及交叉相位调制等）非常丰富。目前，在非线性效应方面，基于渐变折射率多模光纤实现了贝塞尔光束和超连续谱等多种应用，这些应用都为利用渐变折射率光纤制作可饱和吸收体提供了理论支撑。而且用渐变折射率多模光纤制作的可饱和吸收体比如石墨烯等二维材料和半导体可饱和吸收镜在结构上更加简单，并且损伤阈值高，同时由于光纤的材料以石英为主较之其他的可饱和吸收体不容易老化，是一种制作可饱和吸收体非常可靠的材料。

技术实现要素：

本发明设计了一种成本较低、结构简单、性能稳定的可饱和吸收体，提供一种基于内置微腔的渐变折射率多模光纤的可饱和吸收体器件及其制备方法，以及将该可饱和吸收器器件应用到全光纤的锁模光纤激光器中获得超短脉冲输出。本发明的其中一个目的是是解决现有的可饱和吸收体所存在的技术问题，提供一种宽波段、高损伤阈值的可饱和吸收体器件；另一个目的是利用可饱和吸收体器件实现被动锁模光纤激光器，从而获得超短脉冲的输出。

为了实现上述的目的，本发明采取了如下技术方案：内置微腔的渐变折射率多模光纤的可饱和吸收体器件，包括依次熔接的第一单模光纤（1-1）、端面带微孔的渐变折射率多模光纤（2），以及第二单模光纤（1-2）。其中，第一单模光纤与带微孔的渐变折射率光纤熔接后形成微腔（3）。

作为优选方案，所述的第一单模光纤与第二单模光纤为同种单模光纤。

作为优选方案，所述的渐变折射率多模光纤采用纤芯/包层比为62.5μm/125μm或者50μm/125μm的光纤。

作为优选方案，所述的渐变折射率多模光纤长度大于15cm。

本发明提供了基于单模-内置微腔的渐变多模-单模结构的可饱和吸收体器件的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：在渐变折射率多模光纤的其中一个端面上制作出一个位于纤芯处的微孔；

步骤二：用熔接机将渐变折射率多模光纤端面带有微孔的一端与第一单模光纤熔接形成微腔；

步骤三：将渐变折射率多模光纤的另一端与第二单模光纤用熔接机熔接起来。

作为优选方案，所述渐变折射率多模光纤的端面微孔可采用氢氟酸腐蚀或者飞秒激光微加工的方法获得。

作为优选方案，所述的可饱和吸收体中的微腔直径小于等于45μm。

本发明的主要原理：由于渐变折射率多模光纤中的自相位调制以及交叉相位调制等非线性效应会引起等效折射率的改变，最终使得渐变折射率多模光纤中高峰值功率下的自聚焦长度与低峰值功率下的不同。而渐变折射率多模光纤的模场分布不同，会影响非线性效应的强度，因此对端面带微腔的渐变折射率多模光纤的扰动会影响进入渐变折射率多模光纤光信号的模场分布。而当基模的比例达到合适的程度时，就会使得激光从渐变折射率多模光纤到单模光纤中的高峰值功率的光信号恰好自聚焦到单模光纤的纤芯处，而低峰值功率的光信号进入单模光纤的包层中仅为损耗而衰减。此特性相当于可饱和吸收体。

与现有技术相比，本发明的基于“单模-内置微腔的渐变多模-单模结构”可饱和吸收体的可饱和吸收体器件，带来的有益效果是：

（1）上述可饱和吸收体中微腔的直径可以通过改变腐蚀或者飞秒加工的具体参数实现精确控制，从而改善该可饱和吸收体的特性，进而可以优化激光器的输出参数。

（2）上述可饱和吸收体具有成本低廉，结构简单，机械性能优秀等优点，易于大规模批量生产。

（3）上述可饱和吸收体具有非常优异的光学特性，多模光纤的采用可以极大地降低了光纤中的能量密度，损伤阈值高，并且能够进一步的应用到高功率的超短脉冲锁模光纤激光器中。

（4）通过对多模光纤长度、纤芯尺寸的合理设计，使得上述可饱和吸收体器件能够在很宽的光谱范围内实现较低损耗的传输。

附图说明

图1为本发明所述可饱和吸收体结构示意图。

图2为单模-内置微腔的渐变多模-单模饱和吸收体饱和吸收特性测量图。

图3为本发明光纤激光器的结构示意图。

图4是基于单模-内置微腔的渐变多模-单模可饱和吸收体被动锁模光纤激光器脉冲序列输出。

图5是激光器在图4脉冲状态下的脉宽测量图。

具体实施方式

本发明的主要思想是：由于渐变折射率多模光纤中的自相位调制以及交叉相位调制等非线性效应会引起等效折射率的改变，最终使得渐变折射率多模光纤中高峰值功率下的自聚焦长度与低峰值功率下的不同。而渐变折射率多模光纤的模场分布不同，会影响非线性效应的强度，因此对端面带微腔的渐变折射率多模光纤的扰动会影响进入渐变折射率多模光纤光信号的模场分布。而当基模的比例达到合适的程度时，就会使得激光从渐变折射率多模光纤到单模光纤中的高峰值功率的光信号恰好自聚焦到单模光纤的纤芯处，而低峰值功率的光信号进入单模光纤的包层中仅为损耗而衰减。此特性相当于可饱和吸收体。

本发明的“单模-内置微腔的渐变多模-单模结构”可饱和吸收体制备的具体过程为：

1.将一段23cm的纤芯为62.5μm的渐变折射率光纤(62.5/125μm，康宁)两端切平。

2.将其中一个端面用氢氟酸腐蚀5分钟，由于氢氟酸对光纤包层和纤芯的腐蚀速度不同，因此，多模光纤经过腐蚀后，纤芯处会形成一个微孔。

3.用熔接机将多模光纤被腐蚀的一端与单模光纤相熔接。熔接机的放电时间为800ms，熔接后形成一个直径为45μm的微腔。

4.将渐变折射率多模光纤的另一端与一段单模光纤熔接，即得到单模-内置微腔的渐变多模-单模结构的可饱和吸收体。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例中，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1

本实例给出一种基于单模-内置微腔的渐变多模-单模结构的可饱和吸收体，可饱和吸收体中带有微腔，渐变折射率多模光纤位于两段单模光纤之间。如图1所示。

本实例利用单模-内置微腔的渐变多模-单模结构的可饱和吸收体中的非线性效应和自聚焦效应进行测量，以1.5μm波段飞秒激光器作为测试光源，通过调节光纤激光器的输出功率来测量可饱和吸收体的调制深度如图2所示，随入射光功率的增加，材料的透过率趋于饱和。测量结果用简化的饱和吸收模型进行拟合：quote；其中，δt、isat和tns分别表示调制深度、饱和功率以及非饱和吸收系数，通过拟合得到材料的调制深度为2.0%。

实施例2

本实施例给出了一种基于单模-内置微腔的渐变多模-单模可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器，包括波长为1480nm泵浦源（4）、波分复用器（5）、增益光纤（6）、隔离器（7）、偏振控制器（8）、单模-内置微腔的渐变多模-单模可饱和吸收体（9）和光纤耦合器（10），光纤耦合器（10）包括10％输出端口和90％输出端口，其中单模-内置微腔的渐变多模-单模可饱和吸收体（9）与实施例1相同。

波分复用器（5）、增益光纤（6）、隔离器（7）、偏振控制器（8）、单模-内置微腔的渐变多模-单模可饱和吸收体（9）和光纤耦合器（10）的90%输出端口依次连接成环状，形成环形激光谐振腔，如图2所示。激光二极管泵浦源1连接在波分复用器2的输入端。

如图3所示，单模-内置微腔的渐变多模-单模作为可饱和吸收体实现被动锁模光纤激光器运转中，当泵浦功率为92.3mw时的锁模脉冲输出如图4所示，从图中可以看出，腔内的锁模脉冲工作在一个相对稳定的状态，脉冲间隔为70.9ns，相应的脉冲重复频率为14.34mhz。图5所示为当锁模光纤激光器处于稳定锁模脉冲输出时的脉宽，其值为528fs。