一种可饱和吸收器件、制备方法及光纤脉冲激光器与流程

本发明实施例涉及光纤激光器技术，尤其涉及一种可饱和吸收器件、制备方法及光纤脉冲激光器。

背景技术：

随着科学技术的发展，激光的应用越来越广泛。连续激光的峰值功率较低，在某些领域具有局限性，需要峰值能量更高的脉冲激光。与其他激光器相比，光纤激光器具有制造成本低、结构简单、稳定性好及易耦合到光纤器件等优点，目前被广泛应用于光纤通信、光纤传感和激光加工等领域。

调q和锁模是激光器中产生超短脉冲的主要方法。调q技术是开始时尽可能增大谐振腔的损耗，形成粒子数反转，再突然将q开关打开，极短的时间内将激光谐振腔内的损耗从一个较大的值迅速降低，积蓄的大量反转粒子在极短时间内发生受激辐射，从而产生激光脉冲。锁模技术是将谐振腔中的各个独立的纵向模式实现时间上同步且相位有序，从而相干叠加形成一个超短脉冲。相较于主动调q和主动锁模技术，被动调q和被动锁模技术具有结构简单，搭载方便，有利于光纤激光器的集成应用及大规模生产的优点。

现有技术中，已有利用半导体可饱和吸收镜(sesam)、黑磷等制作可饱和吸收器件实现调q或锁模，但sesam存在损伤阈值低，黑磷存在容易降解的问题，因此，如何制作性能优异的可饱和吸收器件，以制作性能稳定的脉冲激光器，是当前的研究热点。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种可饱和吸收器件、制备方法及光纤脉冲激光器，具有性质稳定、响应性灵敏的特点，用于产生稳定的调q或锁模激光脉冲。

第一方面，本发明实施例提供一种可饱和吸收器件，包括光学元件以及可饱和吸收膜，所述可饱和吸收膜设置于所述光学元件的光传输路径中；

所述可饱和吸收膜包括硒化铅。

可选的，所述光学元件包括法兰、第一尾纤和第二尾纤；

所述第一尾纤的连接头和所述第二尾纤的连接头通过所述法兰固定连接；

所述可饱和吸收膜位于所述第一尾纤的连接头和所述第二尾纤的连接头之间。

可选的，所述光学元件包括侧边抛磨的d型光纤；

所述可饱和吸收膜位于所述d型光纤的抛磨面上。

可选的，所述光学元件包括锥状光纤；

所述可饱和吸收膜位于所述锥状光纤的锥状结构表面。

可选的，所述光学元件包括空心光纤或打孔光纤；

所述可饱和吸收膜位于所述空心光纤或所述打孔光纤的孔内。

第二方面，本发明实施例还提供一种可饱和吸收器件的制备方法，包括：

提供一光学元件；

在所述光学元件的光传播路径中形成可饱和吸收膜；

其中，所述可饱和吸收膜包括硒化铅。

可选的，所述光学元件包括法兰、第一尾纤和第二尾纤，所述在所述光学元件的光传播路径中形成可饱和吸收膜包括：

形成聚乙烯醇基底；

利用真空气相沉积法在所述聚乙烯醇基底一侧形成硒化铅膜；

将所述硒化铅膜形成在所述第一尾纤的连接头的端面，并利用法兰连接所述第一尾纤和所述第二尾纤。

可选的，所述光学元件包括侧边抛磨的d型光纤或拉锥的锥状光纤，所述在所述光学元件的光传播路径中形成可饱和吸收膜包括：

利用真空气相沉积法在所述d型光纤的抛磨面上或所述锥状光纤的锥状结构表面形成硒化铅膜。

可选的，所述光学元件包括空心光纤或打孔光纤，所述在所述光学元件的光传播路径中形成可饱和吸收膜包括：

将硒化铅溶液注入所述空心光纤或所述打孔光纤的孔内；

蒸发所述硒化铅溶液中的溶剂，以使硒化铅在所述空心光纤或所述打孔光纤的孔内形成硒化铅膜。

第三方面，本发明实施例还提供一种光纤脉冲激光器，包括上述第一方面任一所述的可饱和吸收器件。

本发明实施例提供的可饱和吸收器件，包括光学元件以及可饱和吸收膜，可饱和吸收膜设置于光学元件的光传输路径中；可饱和吸收膜包括硒化铅。本发明实施例提供的可饱和吸收器件利用硒化铅的可饱和吸收特性，将连续激光压缩成脉冲激光，且硒化铅的禁带宽度在石墨烯和过渡金属硫化物之间，具有光电导效应好和响应灵敏等特性；同时，相较于黑磷，硒化铅的性质更加稳定，不易降解，搭载于光纤激光器中时，能够产生稳定的调q或锁模激光脉冲。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种可饱和吸收器件的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种可饱和吸收器件的结构示意图；

图3是图2所示的可饱和吸收器件的分解视图；

图4是本发明实施例提供的又一种可饱和吸收器件的结构示意图；

图5是图4中沿剖线a-a′的剖视结构示意图；

图6是本发明实施例提供的又一种可饱和吸收器件的结构示意图；

图7是图6中沿剖线b-b′的剖视结构示意图；

图8是本发明实施例提供的又一种可饱和吸收器件的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的一种可饱和吸收器件的制备方法的流程示意图；

图10是本发明实施例提供的一种光纤脉冲激光器的结构示意图；

图11是本发明实施例提供的光纤脉冲激光器输出的调q脉冲激光的光谱示意图；

图12是本发明实施例提供的光纤脉冲激光器输出的调q脉冲激光的时序示意图；

图13是本发明实施例提供的光纤脉冲激光器输出的锁模脉冲激光的光谱示意图；

图14是本发明实施例提供的光纤脉冲激光器输出的锁模脉冲激光的自相关示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“设置”、“耦合”、“连接”应做广义理解，例如“耦合”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，或者是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1所示为本发明实施例提供的一种可饱和吸收器件的结构示意图。参考图1，本发明实施例提供的可饱和吸收器件包括光学元件10以及可饱和吸收膜20，可饱和吸收膜20设置于光学元件10的光传输路径中；可饱和吸收膜20包括硒化铅。

其中，硒化铅是一种立方结构窄禁带半导体材料，在中远红外波段具有重要的应用，且可以应用于逻辑电路等领域。例如在1550nm通信波段，硒化铅有明显的可饱和吸收特性，加载于光纤激光器后，能够将连续激光压缩成脉冲激光，且可以通过改变泵浦功率或调整偏振控制器实现调q激光和锁模激光的转换。光学元件10用于承载可饱和吸收膜20，可饱和吸收膜20设置于光学元件的传输路径中，例如可以是透射路径或倏逝场。示例性的，光学元件10可以包括法兰连接的两根光纤跳线，将可饱和吸收膜20设置在一个光纤跳线端面，通过法兰和另一根跳线连接组成三明治结构，当光束在光学元件10中传输时，光束可以透过硒化铅，然后再进入另一根跳线内；光纤元件10还可以为d型光纤或锥状光纤，光纤中的光以倏逝场的形式进入硒化铅中又回到光纤中。

本发明实施例提供的可饱和吸收器件利用硒化铅的可饱和吸收特性，将连续激光压缩成脉冲激光，且硒化铅的禁带宽度在石墨烯和过渡金属硫化物之间，具有光电导效应好和响应灵敏等特性；同时，相较于黑磷，硒化铅的性质更加稳定，不易降解，搭载于光纤激光器中时，能够产生稳定的调q或锁模激光脉冲。

在上述技术方案的基础上，图2所示为本发明实施例提供的另一种可饱和吸收器件的结构示意图，图3为图2所示的可饱和吸收器件的分解视图。参考图2和图3，可选的，光学元件包括法兰11、第一尾纤12和第二尾纤13；第一尾纤12的连接头121和第二尾纤13的连接头131通过法兰11固定连接；可饱和吸收膜20位于第一尾纤12的连接头121和第二尾纤13的连接头131之间。

可以理解的是，尾纤是一端有连接头，另一端是一段光纤的断头的光纤器件，通过熔接与其他光纤相连，常出现在光纤终端盒内，用于连接光缆与光纤收发器。例如sc方型卡接头、fc圆型螺纹头、lc方型小卡接头(相对于sc略小)、st圆型卡接头等，示例性的，本发明实施例中利用fc/pc连接头，连接头内光纤的端面为平面，将可饱和吸收膜20设置在第一尾纤12的连接头121的光纤端面上，然后通过法兰11连接第一尾纤12和第二尾纤13，就形成了三明治结构的可饱和吸收器件。

图4所示为本发明实施例提供的又一种可饱和吸收器件的结构示意图，图5是图4中沿剖线a-a′的剖视结构示意图。参考图4和图5，可选的，光学元件包括侧边抛磨的d型光纤14；可饱和吸收膜20位于d型光纤15的抛磨面上。

可以理解的是，图4和图5中虚线表示纤芯，实际器件中并不可见，因此用虚线表示。光纤中传播的光波在纤芯和包层的分界面上产生全反射，大部分能量都集中在纤芯中，但是有一部分能量会渗透到包层和外界环境中去，它是一种强度沿光纤径向呈指数衰减的电磁波，因此称为光纤的倏逝场。通过侧边研磨的方式，可以将光纤加工成横截面呈“d”型的光纤，由于d型光纤结构具有非圆对称性，因此光束传播时会在抛磨面形成倏逝场，将可饱和吸收膜20设置于d型光纤的抛磨面上，可以得到本发明实施例中又一种可饱和吸收器件。

图6所示为本发明实施例提供的又一种可饱和吸收器件的结构示意图，图7是图6中沿剖线b-b′的剖视结构示意图。参考图6和图7，可选的，光学元件包括锥状光纤15；可饱和吸收膜20位于锥状光纤15的锥状结构表面。

可以理解的是，通过熔融拉锥的方式，可以形成包括锥状结构的锥状光纤15，光束传播时会在锥状区形成倏逝场，将可饱和吸收膜20设置于锥状光纤15的锥状结构表面，可以得到本发明实施例中又一种可饱和吸收器件。

图8所示为本发明实施例提供的又一种可饱和吸收器件的结构示意图。参考图8，可选的，光学元件包括空心光纤或打孔光纤16；可饱和吸收膜20位于空心光纤或打孔光纤16的孔内。

可以理解的是，通过将可饱和吸收膜20设置于空心光纤或打孔光纤16的孔内，以使光束传输时透过可饱和吸收膜20，可以得到本发明实施例中又一种可饱和吸收器件。

图9所示为本发明实施例提供的一种可饱和吸收器件的制备方法的流程示意图。参考图9，本发明实施例提供的制备方法包括：

步骤s110、提供一光学元件。

其中，光学元件可以为包括两段尾纤和法兰的三明治结构、d型光纤、锥状光纤、空心光纤或打孔光纤等的任意一种，具体实施时可以根据实际情况选择。

步骤s120、在光学元件的光传播路径中形成可饱和吸收膜。

其中，可饱和吸收膜包括硒化铅。

本发明实施例提供的可饱和吸收器件的制备方法，用于制备基于硒化铅的可饱和吸收器件，利用硒化铅的可饱和吸收特性，将连续激光压缩成脉冲激光，且硒化铅的禁带宽度在石墨烯和过渡金属硫化物之间，具有光电导效应好和响应灵敏等特性；同时，相较于黑磷，硒化铅的性质更加稳定，不易降解，搭载于光纤激光器中时，能够产生稳定的调q或锁模激光脉冲。

在上述技术方案的基础上，可选的，光学元件包括法兰、第一尾纤和第二尾纤，在光学元件的光传播路径中形成可饱和吸收膜包括：

形成聚乙烯醇基底；

利用真空气相沉积法在聚乙烯醇基底一侧形成硒化铅膜；

将硒化铅膜形成在第一尾纤的连接头的端面，并利用法兰连接第一尾纤和第二尾纤。

示例性的，本实施例的制备过程可以为：将1.5g聚乙烯醇(pva)粉末和20ml去离子水进行混合后用超声粉碎机处理半小时，在80℃下用磁搅拌器搅拌得到pva水溶液，取部分pva水溶液于培养皿上蒸发干燥得到pva基底。最后，通过真空气相沉积的方式，利用分子泵抽真空使得真空腔内的真空度为3×10^-3pa，然后在基底温度200℃、沉积速率的条件下在有pva基底的玻片上沉积硒化铅薄膜，厚度约为20nm。然后将硒化铅薄膜和pva基底从培养皿剥离，将厚度约为20nm的硒化铅薄膜直接镀到第一尾纤的连接头的端面，通过法兰和第二尾纤连接组成三明治结构。

可选的，光学元件包括侧边抛磨的d型光纤或拉锥的锥状光纤，在光学元件的光传播路径中形成可饱和吸收膜包括：

利用真空气相沉积法在d型光纤的抛磨面上或锥状光纤的锥状结构表面形成硒化铅膜。

示例性的，本实施例的制备过程可以为：利用真空气相沉积法，在基底温度200℃、沉积速率等与上述参数相同的情况下，在功率损耗约为40％的d型光纤的磨损区或锥状光纤的拉锥区形成厚度为40nm左右的硒化铅薄膜，光纤中的光以倏逝场的形式进入硒化铅中又回到光纤中。

可选的，光学元件包括空心光纤或打孔光纤，在光学元件的光传播路径中形成可饱和吸收膜包括：

将硒化铅溶液注入空心光纤或打孔光纤的孔内；

蒸发硒化铅溶液中的溶剂，以使硒化铅在空心光纤或打孔光纤的孔内形成硒化铅膜。

示例性的，本实施例的制备过程可以为：将硒化铅的分散溶液通过压力泵注入这两种光纤的孔中，再将温度升高到一定程度将溶剂蒸发掉，使得这两种光纤的一定长度范围内都填充了硒化铅，这段光纤就可以作为可饱和吸收器件直接接入光纤激光器中。

本发明实施例还提供一种光纤脉冲激光器，包括上述实施例提供的任意一种的可饱和吸收器件。

示例性的，图10所示为本发明实施例提供的一种光纤脉冲激光器的结构示意图，参考图10，本实施例中光纤激光器包括了波分复用器1、980nm泵浦光源2、掺铒光纤3、光纤输出耦合器4、光纤偏振无关隔离器5、光纤偏振控制器6、基于硒化铅的可饱和吸收器件7(示例性的采用图2中的结构)、单模光纤8依次连接形成环形腔，其中波分复用器1包括泵浦输入端、公共输入端和输出端，980nm泵浦光源2与波分复用器1的泵浦输入端连接，单模光纤8与波分复用器的公共输入端连接，掺铒光纤3的第一端与波分复用器1的输出端连接；光纤输出耦合器4包括输入端、第一输出端和第二输出端，掺铒光纤3的输出端与光纤输出耦合器4的输入端连接，光纤输出耦合器4的第一输出端与光纤偏振无关隔离器5的输入端连接，第二输出端用于输出激光，例如可以连接示波器、光谱仪等测量设备，其中光纤输出耦合器4的第一输出端和第二输出端的功率比可以为90：10，掺铒光纤3的长度为3.5m，总腔长13.5m。

本发明实施例提供的光纤脉冲激光器的工作过程为：980nm泵浦光源2发出的泵浦连续信号光通过光纤波分复用器1进入光纤激光器环形谐振腔。泵浦光被掺铒光纤3吸收后产生增益，转换为1550nm信号光，再经过光纤输出耦合器4，少部分光通过第二输出端输出。绝大部分信号光留在腔内，依次经过保证信号光单方向传输的光纤偏振无关隔离器5，改变信号光偏振态的偏振控制器6，以及可以将连续信号光压缩的基于硒化铅的可饱和吸收器件7。最后，信号光回到波分复用器1中，完成一次循环。随着信号光的不断循环，光纤输出耦合器4的第二输出端输出的连续激光转换为调q激光或者锁模激光。本发明实例中激光器可通过调整980nm泵浦光源的输出功率大小和调节偏振控制器来实现调q和锁模状态的切换。

将光纤输出耦合器4的第二输出端与光谱仪、示波器或自相关仪连接，可以测量输出结果。图11所示为本发明实施例提供的光纤脉冲激光器输出的调q脉冲激光的光谱示意图，图12所示为本发明实施例提供的光纤脉冲激光器输出的调q脉冲激光的时序示意图，由图11和12可知，本实施例中产生的调q脉冲光谱的半高全宽为1.6nm，重复周期为102μs。图13所示为本发明实施例提供的光纤脉冲激光器输出的锁模脉冲激光的光谱示意图，图14所示为本发明实施例提供的光纤脉冲激光器输出的锁模脉冲激光的自相关示意图，由图13和图14可知，本实施例中产生的锁模脉冲光谱的半高全宽为7.58nm，脉冲宽度为544.5fs。

需要说明的是，可饱和吸收器件7还可以利用图4～图6提供的任意一种，只需要直接替换到环形腔中即可，激光器中选用的光纤器件可以为1550nm波段折射率阶跃式单模光纤器件、1550nm波段折射率阶跃式双模光纤器件、1550nm波段折射率渐变式双模光纤器件、1550nm波段折射率阶跃式多模光纤器件及1550nm波段折射率渐变式多模光纤器件，可以产生相同的技术效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。