用于光纤激光器被动锁模的饱和吸收体的制作方法
【专利摘要】一种用于光纤激光器被动锁模的饱和吸收体，它包括SiC晶体衬底，在SiC晶体衬底一个表面生长有石墨烯层，SiC晶体衬底另一表面经过研磨抛光为曲率半径为R的球面；SiC晶体衬底固定在机械夹具内，夹具两端留有圆形通光孔，可连接光纤头。
【专利说明】
用于光纤激光器被动锁模的饱和吸收体
技术领域
[0001]本方案涉及一种用于光纤激光器被动锁模的饱和吸收体器件及其使用方法，属于激光被动调Q和锁模技术领域。
【背景技术】
[0002]迄今，石墨烯已经在半导体激光器、全固态激光器、光纤激光器和波导激光器中实现了激光锁模调制。
[0003]石墨烯饱和吸收体与现有的被动锁模器件Cr:YAG晶体、半导体可饱和吸收镜(SESAM)、碳纳米管相比，具有制备简单、成本低廉、可饱和吸收光谱范围宽等优点，使其成为最具潜力的，有望产业化的新型饱和吸收体。石墨烯可饱和吸收特性好，随层数增加吸收率变大，10层吸收率达到0.207，相比其它半导体材料的吸收效率要高的多。石墨烯具有超快饱和弛豫时间，带间跃迀弛豫时间在0.4?1.7ps，可起到启动锁模作用，带内载流子散射和复合弛豫时间70?120fs，可有效压缩脉冲，稳定锁模，产生飞秒脉冲。石墨烯调制深度可调:石墨烯的调制深度对层数改变而变化，可通过合理选择层数，来优化锁模脉冲性能。石墨稀零带隙的特殊结构，理论上对任何波长都有吸收作用(400nm?2500nm)。另外，石墨稀热导性好、抗损伤阈值高，导热率达到5000W m—1 k—1，是目前已知导热率最高材料。
[0004]2010年，新加坡国立大学罗建平等人申请了发明专利【基于石墨烯的可饱和吸收体器件及方法】，申请号201080020659.3。本方案公开了一种适用于环形腔光纤激光器或线形腔光纤激光器中的基于石墨烯的饱和吸收体器件。所述饱和吸收体器件包括光学元件和由所述光学元件所承载并包括石墨烯、石墨烯衍生物和官能化石墨烯中的至少之一的基于石墨烯的饱和吸收体材料。一种示例性的光学元件为具有末端小面的光纤，所述末端小面承载所述饱和吸收体材料。
[0005]以上专利技术均是针对通过化学气相沉积法或氧化还原等方法制备的纳米级石墨烯层，进行转移后，附着到其它光学器件(光纤头)上，作为饱和吸收体使用。对于采用SiC热解法制备的石墨烯目前没有有效的转移方法。SiC热解法是在真空或一定气氛下加热SiC单晶衬底，使得SiC表面的硅原子被释放，碳原子重构，即可获得石墨烯。该方法的一个重要优势就是，SiC是宽禁带半导体，可以作为良好的绝缘衬底，避免化学气相沉积法中石墨烯的转移过程，SiC晶体具有良好的透光性，具有大的热导率和折射率，可实现输出镜和饱和吸收体的一体化，制备出的石墨烯可以直接进行使用，而且表面石墨烯层数可控。
[0006]2010年，山东大学的于浩海等人申请了发明专利石墨烯光学调Q开关及应用，申请号201010242865.0。石墨烯光学调Q开关包括SiC衬底和生长在SiC衬底上面的石墨烯材料，载有石墨烯的一面朝向激光腔内，另一面朝向激光腔外。石墨烯光学调Q开关用于激光器中，栗浦光经过激光增益介质后再通过石墨烯调Q元件，SiC衬底作为输出镜与置于激光增益介质前面的前腔镜形成谐振腔，可用于固体激光器的调Q锁模。
[0007]2014年，山东大学张丽强等人在《CHINESE OPTICS LETTERS》发表文章《Wavelength tunable passively Q-switched Yb-doped double-clad fiber laserwith graphene grown on SiC》，使用SiC衬底上生长石墨稀作为饱和吸收体进行光纤激光器被动调Q锁模实验，实验激光器光路。因为使用的SiC衬底为方形晶体片，将其插入光纤激光器光路中需要用到光纤准直器、激光会聚透镜等器件，光路十分复杂，调试非常困难。综上所述，对于用SiC衬底生长的石墨烯作为饱和吸收体进行光纤激光器被动调Q锁模应用，现有技术存在不足和需要改进的地方。
【发明内容】
[0008]针对现有技术的不足，本方案提供了一种体积小巧，易于集成到光纤环形光路的基于SiC晶体衬底的饱和吸收体，可适用于环形腔光纤激光器或线形腔光纤激光器中。起饱和吸收作用的为SiC晶体衬底表面的石墨烯层，SiC晶体衬底不具有非线性效应，其对激光的透过率高，可直接作为石墨烯饱和吸收体的固定和散热基底使用。该石墨烯生长方法为:通过加热单晶6H-SiC或者4H-SiC脱除Si，从而得到在SiC表面外延的石墨烯;将表面经过氧化或H2刻蚀后的SiC在高真空下通过电子轰击加热到1000°C以除掉表面的氧化物，升温至1250?1450 °C，恒温I?20min，可得到厚度由温度控制的石墨稀薄片。
[0009]本方案的技术方案如下:一种用于光纤激光器被动锁模的饱和吸收体，它包括SiC晶体衬底，在SiC晶体衬底一个表面生长有石墨烯层形成石墨烯生长面，SiC晶体衬底另一表面经过研磨抛光为曲率半径为R的球面。
[0010]本方案的具体特点还有，所述的Si C晶体衬底采用4H-S i C晶体衬底或6H-S i C晶体衬底。
[0011]进一步，所述的SiC晶体衬底生长石墨烯层的表面可以为碳面，也可以为硅面。
[0012]进一步，所述SiC晶体衬底表面上的石墨烯层的层数为一层以上，热解过程可以控制石墨烯生长层数，不同的石墨烯层数对激光的吸收效率和调制深度不同。
[0013]进一步，所述的SiC晶体衬底的石墨烯生长面为平面，另一表面是球面;SiC晶体衬底侧面固定在机械夹具内，夹具上设置有圆形通光孔，可连接光纤头;进一步，所述的SiC晶体衬底可视作等效焦距为f的光学透镜，f=R/(n-l )，起会聚激光作用;所述的机械夹具两端靠近石墨烯生长面的通光孔为进光孔，对侧的通光孔为出光孔，机械夹具通光孔可以加工成不同接口以连接不同类型光纤头。
[0014]进一步，所述的机械夹具通光孔固定光纤头后，进光端光纤头和出光端光纤头距离饱和吸收体的距离分别对应为物距L1和像距L2,且和SiC晶体衬底的等效焦距f有关，满足光学透镜物象关系l/Li+l/L2=l/f。
[0015]用于光纤激光器被动锁模的饱和吸收体应用方法为:通过两个通光孔，分别连接进光光纤头和出光光纤头，直接插入环形或线性光纤激光光路中，作为激光饱和吸收体使用。
[0016]本方案的有益效果是:该发明提供了一种可用于光纤激光器被动锁模的饱和吸收体器件及其应用方法，该器件使用简单，体积小，安装方便;将其中的SiC晶体衬底直接做成正透镜形式，起到对激光进行会聚耦合的作用，减少了对以前该类型饱和吸收体使用过程中对准直镜、会聚透镜等光学透镜的依赖，简化了激光器光路，降低了调试难度，节约了激光器成本。
【附图说明】
[0017]图1为用于光纤激光器被动锁模的饱和吸收体基本结构示意图；图2是配置夹具后的用于光纤激光器被动锁模的饱和吸收体结构示意图；图3是用于光纤激光器被动锁模的饱和吸收体具体应用于光纤激光器光路系统框图。
[0018]图中，1-SiC晶体衬底;2_石墨稀层;3_机械夹具;4_通光孔。
【具体实施方式】
[0019]如图1所示，一种用于光纤激光器被动锁模的饱和吸收体，它包括SiC晶体衬底I，在SiC晶体衬底I 一个表面生长有石墨烯层2，SiC晶体衬底I另一表面经过研磨抛光为曲率半径为R的球面。所述的SiC晶体衬底I采用4H-SiC晶体衬底或6H-SiC晶体衬底;所述的SiC晶体衬底I生长石墨烯层2的表面可以为碳面，也可以为硅面;所述SiC晶体衬底I表面上的石墨烯层2的层数为一层以上，热解过程可以控制石墨烯生长层数，不同的石墨烯层的层数对激光的吸收效率和调制深度不同；所述的SiC晶体衬底I的石墨烯生长面为平面，另一表面是球面；
SiC晶体衬底I侧面固定在机械夹具3内，在机械3上设置有圆形通光孔4，可连接光纤头;进一步，所述的SiC晶体衬底I可视作等效焦距为f的光学透镜，起会聚激光作用;所述的机械夹具3两端靠近石墨烯面的通光孔4为进光孔，对侧的通光孔为出光孔，机械夹具通光孔可以加工成不同接口以连接不同类型光纤头。
[0020]进一步，所述的机械夹具通光孔固定光纤头后，进光端光纤头和出光端光纤头距离饱和吸收体的距离分别对应为物距1^和像距L2,且和SiC晶体衬底I的等效焦距f有关，满足光学透镜物象关系l/U+l/L2=l/f。
[0021]该实施例如图2、3所示，所用SiC晶体衬底I为单晶4H-SiC，厚度为5mm，外径为6mm，其硅面上生长有石墨烯层2，通过拉曼光谱测试，石墨烯层数为10层，SiC晶体衬底的另一面经过研磨抛光为球面，曲率半径为R=1mm13SiC晶体衬底通过机械夹具3封装固定，两端留有通光孔4，可连接SMA接头光纤头，入射端光纤头固定后，光纤头出光点距离石墨烯层的距离为Li=1mm,出射端光纤头固定后，光纤头距离SiC晶体衬底距离为I^=ISmmc3SiC晶体衬底可等效为一个光学平凸透镜，焦距f=R/(n_l)=6mm，其中n=2.67为SiC晶体衬底的折射率。使用方法如图3所示，将该饱和吸收体器件通过光纤头连接后可直接放在光纤激光器的环形光路内，做为光纤激光器的饱和吸收体使用。
【主权项】
1.一种用于光纤激光器被动锁模的饱和吸收体，它包括SiC晶体衬底，在SiC晶体衬底一个表面生长有石墨烯层形成石墨烯生长面，其特征是SiC晶体衬底另一表面经过研磨抛光为曲率半径为R的球面。2.根据权利要求1所述的用于光纤激光器被动锁模的饱和吸收体，其特征是所述的SiC晶体衬底采用4H-SiC晶体衬底或6H-SiC晶体衬底。3.根据权利要求1所述的用于光纤激光器被动锁模的饱和吸收体，其特征是所述的SiC晶体衬底生长石墨烯层的表面可以为碳面，也可以为硅面。4.根据权利要求1所述的用于光纤激光器被动锁模的饱和吸收体，其特征是所述SiC晶体衬底表面上的石墨烯层的层数为一层以上。5.根据权利要求1所述的用于光纤激光器被动锁模的饱和吸收体，其特征是所述的SiC晶体衬底的石墨烯生长面为平面。6.根据权利要求1所述的用于光纤激光器被动锁模的饱和吸收体，其特征是SiC晶体衬底的侧面固定在机械夹具内，夹具两端留有圆形通光孔;所述的机械夹具两端的通光孔，靠近SiC晶体衬底石墨烯生长面的为进光孔，靠近SiC晶体衬底对侧另一面的为出光孔。7.根据权利要求6所述的用于光纤激光器被动锁模的饱和吸收体，其特征是所述的机械夹具通光孔固定光纤头后，进光端光纤头和出光端光纤头距离饱和吸收体的距离分别对应为物距1^和像距L2,且和SiC晶体衬底的等效焦距f有关，满足光学透镜物象关系1/U+1/L2=l/fο
【文档编号】H01S3/098GK106025778SQ201610535214
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】李明, 王昌, 徐现刚, 陈秀芳
【申请人】山东省科学院激光研究所