一种利用锥形光纤倏逝场的微结构锁模器件及其生产工艺的制作方法

本发明属于微结构光纤领域，尤其涉及具有激光脉冲整形或传感的微结构光纤器件。

背景技术：

在现代激光技术和光纤传感产业的发展中，对于全光纤器件的研究越来越受到科研工作者和光电产业人士的高度重视。其中，熔融拉锥光纤与可饱和吸收材料结合的微结构锁模器件是实现全光纤化锁模的重要方式之一。通过锥形光纤表面产生的倏逝场与可饱和吸收材料之间的非线性吸收作用实现光束整形，相较以往“三明治”结构和反射结构具有插入损耗小、损伤阈值高和可以实现全光纤化等特点。

熔融拉锥技术实现的基本方法在于将剥去涂覆层的普通单模光纤固定在拉锥机上，在高温氢氧焰下加热至熔融态，通过步进机同时向两侧拉伸，最终在加热区形成锥形结构的特殊波导器件。

可饱和吸收体利用其自身的响应恢复时间作为时间选通门来对激光脉冲进行时间上的整形，对于脉冲中能量较低的部分完全吸收；当脉冲中能量达到可饱和吸收体的吸收阈值时，可饱和吸收体被漂白而变得透明,使得后续部分的光得以在漂白恢复时间内无损耗地通过；当可饱和吸收体达到响应恢复时间，重新恢复吸收特性后，新的可饱和吸收过程便再次开始。

由于微纳器件操作的复杂性，熔融拉锥光纤与可饱和吸收材料的结合方式一直以来是研究的热点。在以往的结合方式中：1)利用光镊效应把可饱和吸收材料吸附到锥形光纤锥腰区表面与倏逝场相互作用，但因锥腰和可饱和吸收材料的尺寸都在微米或纳米级别，在沉积过程中的管控和重复性制作方面表现较差；2)在锥形光纤表面直接覆盖一层带基底的不同层数的可饱和吸收材料薄膜，但这样可饱吸收材料与锥形光纤锥腰的有效接触面积较小，很难发挥相应的作用；3)把带基底的可饱和吸收材料薄膜包裹在锥形光纤上，再用相应的溶液溶解基底材料，然而，受限锥形光纤锥腰的尺寸，此方法必须在显微镜下进行操作，并且过程较为复杂，不便于产业化。因此，要制作出更为合理的结构，就需要采用其他方法。

技术实现要素：

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种实现了锥形光纤与可饱和吸收材料的有效结合，便于产业化发展的利用锥形光纤倏逝场的微结构锁模器件及生产工艺。本发明的技术方案如下：

一种利用锥形光纤倏逝场的微结构锁模器件，其包括：普通单模光纤纤芯、普通单模光纤包层、毛细玻璃管、折射率匹配液与可饱和吸收纳米材料均匀混合的凝胶液、紫外线胶水、锥形光纤左半边过渡区、锥形光纤锥腰区域及锥形光纤右半边过渡区域；其中普通单模光纤是由纤芯和包层组成的波导介质，所述普通单模光纤包层与毛细玻璃管邻接，所述毛细玻璃管套接在锥形光纤的左半边过渡区、锥形光纤锥腰区域及锥形光纤右半边过渡区域上；

所述锥形光纤锥腰区域被包裹在折射率匹配液与可饱和吸收纳米材料均匀混合的凝胶液内；所述毛细玻璃管两端被紫外线胶水进行密封；所述光纤贯穿毛细玻璃管并在其两端形成一定长度的尾纤作为与其他器件或系统耦合的输入输出端口。

进一步的，所述锥形光纤锥腰区域的直径介于1μm-10μm之间。

进一步的，锥形光纤的锥腰的长度介于0.5cm-3cm之间。

进一步的，所述锥形光纤左半边过渡区及锥形光纤右半边过渡区域的长度均为1cm-5cm。

进一步的，所述毛细玻璃管内径为0.5mm-10mm之间，所述毛细玻璃管长度介于80mm-160mm之间。

进一步的，所述折射率匹配液折射率介于1-1.5之间。

进一步的，所述可饱和吸收纳米材料包括石墨烯、单/双壁碳纳米管、过渡金属硫化物、金/银纳米管、拓扑绝缘体、黑磷。

进一步的，所述可饱和吸收材料的尺寸均在微米或纳米级别。

进一步的，所述折射率匹配液与可饱和吸收材料的质量配比介于1-50。

一种利用锥形光纤倏逝场的微结构锁模器件生产工艺，其包括以下步骤：

首先，准备一根长约为1m的普通单模光纤，纤芯直径为126μm，包层直径为9μm，对应的折射率分别为1.4513和1.4468；剥去此单模光纤中间段涂覆层3-4cm后放置于光纤拉锥机，加以固定，光纤两端分别外接光源和光功率计，经氢氧焰加热并控制步进机进行拉锥，获得满足要求的拉锥长度和输出损耗后，停止拉锥；

再用内径为0.9mm、外径为1.2mm、长度为100mm毛细玻璃管套上锥形区，通过折射率为1.30的折射率匹配液与纳米尺寸的石墨烯粉末按照质量比为20:1进行均匀配比，最后通过注射头填筑到锥形光纤锥腰区域，两端用紫外线胶水加以密封；

经拉锥后，锥形区总长度为80mm，单边过渡区长度30mm，锥腰直径为1μm，长度为20mm，插入损耗小于0.3dB，而加入混合液后插入损耗达到～2dB。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明由锥形光纤、折射率匹配液、可饱和吸收材料、毛细玻璃管和紫外线胶水等组成。其中一端输入的光可以在锥腰区和过渡区中传输。微结构光纤两端具有光纤尾纤，在光纤拉锥、混合液填筑和凝固的过程中可通过另外一端外接光功率计进行功率监测，从而达到对微结构器件性能进行精细控制的目的。同时，通过控制低折射率匹配液与可饱和吸收材料的质量配比大小，即可实现锥腰区域倏逝场与其作用的强弱，进而影响对光调制程度的控制，而外面的毛细玻璃套管和两端的密封紫外线胶水主要用来完成对锥形光纤与混合液的封装。

本发明的优势之处在于，相对商业化的半导体可饱和吸收镜锁模器件而言，本发明成本较为低廉，制作工艺简单；相对目前科研上常用的“三明治”结构锁模器件而言，本发明器件损伤阈值较高和插入损耗较小；相对已有的微结构锁模器件的制作方法(沉积法和覆盖法)而言，本发明器件极大的提高了可控性，而且还实现了全光纤化，对于高度集成的产业化发展提供了可能性。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例的微结构光纤器件的结构示意图。

图2为根据实施方案参数进行的未加入折射率匹配液与可饱和吸收纳米材料均匀混合的凝胶液时锥形光纤能量分布仿真图。

图3为根据实施方案参数进行的加入折射率匹配液与可饱和吸收纳米材料均匀混合的凝胶液时锥形光纤能量分布仿真图。

图中标记：1-普通单模光纤纤芯，2、普通单模光纤包层，3-毛细玻璃管，4-折射率匹配液-可饱和吸收材料混合液，5-紫外线胶水，6-锥形光纤左半边过渡区，7-锥形光纤锥腰区域，8-锥形光纤右半边过渡区域。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种利用锥形光纤倏逝场作用可饱和吸收纳米材料的微结构锁模器件采用如图1所示结构，主要由普通单模光纤、毛细玻璃管、折射率匹配液-可饱和吸收材料混合液和紫外线胶水组成的微结构区。

本发明的目的在于解决上述提到的锥形光纤与可饱和吸收材料结合中存在的问题，提出了一种由普通单模光纤、毛细玻璃管、可饱和吸收纳米材料、折射率匹配液和紫外线胶水等组成的微结构器件。所述锥形光纤沿轴向的中心部分被拉锥形成锥腰和两个对称的过渡区；所述光纤束腰区域被包裹在折射率匹配液-可饱和吸收纳米材料混合液内；所述毛细玻璃管两端被紫外线胶水进行密封；所述光纤贯穿毛细玻璃管并在其两端形成一定长度的尾纤作为与其他器件或系统耦合的输入输出端口。

具体操作过程为：先利用毛细玻璃管套上锥形光纤的两个过渡区域和束腰区域，再往锥形光纤束腰部位填筑折射率匹配液-可饱和吸收材料混合液，最终通过紫外线胶水对两个毛细玻璃管端口进行密封。本发明的优点在于整个过程不需要过于复杂的操作，并且实现了锥形光纤与可饱和吸收材料的有效结合，便于产业化发展。

所述锥形光纤锥腰直径介于1-10μm。

所述锥形光纤锥腰长度介于0.5-3cm。

所述锥形光纤过渡区的长度介于1-5cm。

所述毛细玻璃管内径为0.5-10mm。

所述毛细玻璃管长度介于80-160mm。

所述折射率匹配液折射率介于1-1.5。

所述可饱和吸收纳米材料包括石墨烯、单/双壁碳纳米管、过渡金属硫化物、金/银纳米管、拓扑绝缘体、黑磷等。

所述可饱和吸收材料的尺寸均在微米或纳米级别。

所述折射率匹配液与可饱和吸收材料的质量配比介于1-50。

首先，准备一根长～1m的普通单模光纤，纤芯直径为126μm，包层直径为9μm，对应的折射率分别为1.4513和1.4468；剥去此单模光纤中间段涂覆层3-4cm后放置于光纤拉锥机，加以固定，光纤两端分别外接光源和光功率计，经氢氧焰加热并控制步进机进行拉锥，获得满足要求的拉锥长度和输出损耗后，停止拉锥。

再用内径为0.9mm、外径为1.2mm、长度为100mm毛细玻璃管套上锥形区，通过折射率为1.30的折射率匹配液与纳米尺寸的石墨烯粉末按照质量比为20:1进行均匀配比，最后通过注射头填筑到锥形光纤锥腰区域，两端用紫外线胶水加以密封。

经拉锥后，锥形区总长度为80mm，单边过渡区长度30mm，锥腰直径为1μm，长度为20mm，插入损耗小于0.3dB，而加入混合液后插入损耗达到～2dB。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。