用石墨烯飽和吸收體鎖模的超短脈沖光纖激光器系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用石墨烯飽和吸收體鎖模的超短脈沖光纖激光器系統(tǒng)，包括環(huán)形光纖激光器種子源和啁啾放大器，所述環(huán)形光纖激光器種子源包括石墨烯飽和吸收體、波分復(fù)用器、摻Y(jié)b有源光纖、第一無源光纖、輸出耦合器、帶通濾波器、光隔離器以及第二無源光纖，所述啁啾放大器包括依次連接的一級展寬器、一級放大器以及負(fù)色散元件，一級放大器由有源光纖、合束器以及泵浦源組成。本實用新型的環(huán)形光纖激光器種子源可以輸出線性啁啾脈沖，這些線性啁啾脈沖在啁啾放大器的放大以及負(fù)色散元件補償作用下，可以得到放大及去啁啾從而獲得飛秒脈沖，摻Y(jié)b飛秒光纖激光器得以實現(xiàn)。本實用新型填補了摻Y(jié)b飛秒光纖激光器的技術(shù)空白。
【專利說明】
用石墨烯飽和吸收體鎖模的超短脈沖光纖激光器系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種用石墨烯飽和吸收體鎖模的超短脈沖光纖激光器系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]超短脈沖(脈寬小于1ps)加工是冷加工，消除了對加工區(qū)周圍的熱效應(yīng)，提高了加工精度，而高功率有助提高加工速度?；谏鲜鰞?yōu)點，超短脈沖加工逐漸在微機械加工領(lǐng)域得到應(yīng)用。為了滿足應(yīng)用的需求，亟需開發(fā)一種大功率超短脈沖光纖激光器。
[0003]目前產(chǎn)生超短(飛秒)光纖激光器最好的方法是用無源的飽和吸收體加上增益光纖。以前多用半導(dǎo)體飽和吸收鏡(SESAM)作為飽和吸收體，它的缺點是需要復(fù)雜的工藝，如MOCVD或分子束外延MBE，及高能重離子注入，在器件中引入缺陷以減少器件恢復(fù)時間。另外它的光損傷閾值較低，難于提高脈沖峰值功率。
[0004]近來發(fā)現(xiàn)兩種新的可以代替SESAM的飽和吸收體。一種是單壁碳納米管(SWCNT)，它在近紅外區(qū)飽和恢復(fù)時間約lps，適于皮秒或亞皮秒光纖激光器，并且已有不少的摻Er光纖激光器的樣品出現(xiàn)。但是由于SWCNT的非均勻螺旋性，難于控制這種飽和吸收體的性質(zhì)，由于它的共振波長與管徑有關(guān)，所以會存在一些非共振的納米管及其増加額外的插入損耗，而且成捆的糾纏的納米管含有催化劑微粒及氣泡還會引起高的非飽和損耗。
[0005]另一種是石墨烯薄膜，它的優(yōu)點是吸收與波長無關(guān)飽和恢復(fù)時間極短、導(dǎo)熱性好、吸收帶寬、損耗低、成本低廉，因此適于制作可飽和吸收體應(yīng)用于各種波長的超短脈沖光纖激光器;飽和強度比SWCNT及SESAM低，因此脈沖易于自起動;調(diào)制深度可以通過改變層數(shù)進行調(diào)節(jié)(從6.2%到66.5%)，因此易于控制脈沖成形；超快的飽和吸收恢復(fù)時間(快的
0.07ps，慢的1.7ps)，因此更適于產(chǎn)生飛秒脈沖。目前已有用石墨烯薄膜的摻Er飛秒光纖激光器的樣品，但是還沒有用石墨烯薄膜的摻Y(jié)b飛秒光纖激光器的樣品問世。這是因為在波長lwii，通常無源光纖及摻Y(jié)b光纖是正常色散的，只能達到幾個皮秒的脈沖，本實用新型將提供一個解決方案。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]為此，本實用新型提供一種用石墨烯飽和吸收體鎖模的超短脈沖光纖激光器系統(tǒng)，其填補了摻Y(jié)b飛秒光纖激光器領(lǐng)域的技術(shù)空白。
[0007]本實用新型所提供的用石墨烯飽和吸收體鎖模的超短脈沖光纖激光器系統(tǒng)，包括環(huán)形光纖激光器種子源和啁啾放大器，所述環(huán)形光纖激光器種子源包括石墨烯飽和吸收體、連接有LD栗浦的波分復(fù)用器、摻Y(jié)b有源光纖、第一無源光纖、輸出耦合器、帶通濾波器、光隔離器以及第二無源光纖，石墨烯飽和吸收體、波分復(fù)用器、摻Y(jié)b有源光纖、第一無源光纖、輸出耦合器、帶通濾波器、光隔離器以及第二無源光纖依次連接成環(huán)形，所述石墨烯飽和吸收體為三層石墨烯膜，所述啁啾放大器包括依次連接的一級展寬器、一級放大器以及負(fù)色散元件，一級放大器由有源光纖、合束器以及栗浦源組成。
[0008]作為優(yōu)選的實施方式，所述帶通濾波器的中心波長為1030nm，濾波器譜寬為8nm，第一無源光纖的半徑為3μηι，長度為1.2m，第二無源光纖的半徑為3μηι，長度為3m，摻Y(jié)b有源光纖的半徑為3μπι，長度為0.8m，LD栗浦的功率為140mW。
[0009]作為優(yōu)選的實施方式，一級展寬器為10m長的光纖，一級放大器的有源光纖的半徑為20μπι，長度為2m，栗浦源的中心波長為975nm，功率為1.2W。
[0010]作為優(yōu)選的實施方式，所述負(fù)色散元件由啁啾反射光柵和回轉(zhuǎn)器組成。
[0011]作為優(yōu)選的實施方式，所述啁啾放大器還包括連接于一級展寬器前端的采摘器。
[0012]本實用新型的有益效果是:本實用新型的環(huán)形光纖激光器種子源利用摻Y(jié)b有源光纖和石墨烯飽和吸收體組成，其可以輸出線性啁啾脈沖，這些線性啁啾脈沖在啁啾放大器的放大以及負(fù)色散元件補償作用下，可以得到放大及去啁啾從而獲得飛秒脈沖，摻Y(jié)b飛秒光纖激光器得以實現(xiàn)。本實用新型填補了摻Y(jié)b飛秒光纖激光器的技術(shù)空白。
【附圖說明】
[0013]圖1為本實用新型的環(huán)形光纖激光器種子源的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2為本實用新型的啁啾放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]符號說明:1-石墨烯飽和吸收體，2-波分復(fù)用器，3-摻Y(jié)B有源光纖，4-LD栗浦，5-第一無源光纖，6-輸出耦合器，7-帶通濾波器，8-光隔離器，9-第二無源光纖，10-采摘器，11-一級展寬器，12-有源光纖，13-合束器，14-栗浦源，15-啁啾反射光柵，16-回轉(zhuǎn)器。
【具體實施方式】
[0016]下面參照附圖并結(jié)合實施例對本實用新型作進一步的描述。
[0017]參照圖1和圖2，本實用新型用石墨烯飽和吸收體鎖模的超短脈沖光纖激光器系統(tǒng)主要由環(huán)形光纖激光器種子源和啁啾放大器組成，環(huán)形光纖激光器種子源產(chǎn)生線性啁啾脈沖，線性啁啾脈沖經(jīng)啁啾放大器放大和去啁啾后得到所需的超短脈沖(飛秒脈沖)。
[0018]具體如圖1所示，環(huán)形光纖激光器種子源包括石墨烯飽和吸收體1、連接有LD栗浦4的波分復(fù)用器2、摻Y(jié)b有源光纖3、第一無源光纖5、輸出耦合器6、帶通濾波器7、光隔離器8以及第二無源光纖9，石墨烯飽和吸收體1、波分復(fù)用器2、摻Y(jié)b有源光纖3、第一無源光纖5、輸出耦合器6、帶通濾波器7、光隔離器8以及第二無源光纖9依次連接成環(huán)形。石墨烯飽和吸收體I為三層石墨烯膜，易于起振，飽和深度高。上述結(jié)構(gòu)都是通常的單模光纖和光纖元件(除了石墨烯飽和吸收體)組成，結(jié)構(gòu)緊湊。
[0019]決定環(huán)形腔超快脈沖的特性(脈寬，譜分布，頻率啁啾，呼吸比，脈沖能量等)的主要物理參數(shù)是:環(huán)路總的群速度色散GVD(由環(huán)路中光纖長度調(diào)節(jié))，非線性相位變化總量ΦNL(由有源光纖非線性和光強決定，可通過改變栗浦功率來調(diào)節(jié))，濾波器帶寬BW。例如ONL増加(或GVD減小，或BW減小)引起去啁啾脈沖寬度減小，呼吸比增大，頻率啁啾減小，脈沖譜的形狀從形變成M形。本實用新型優(yōu)選采用的是，帶通濾波器7的中心波長為1030nm，濾波器譜寬為8nm，第一無源光纖5的半徑為3μηι，長度為1.2m，第二無源光纖9的半徑為3μηι，長度為3m，摻Y(jié)b有源光纖3的半徑為3μπι，長度為0.8111，0)栗浦4的功率為140111￥。帶通濾波器7所選用的波長為1030nm，摻Y(jié)b有源光纖3發(fā)射截面在此波長是局部最大，且譜寬最大?；谏鲜鰠?shù)所產(chǎn)生的脈沖寬度窄為6.21ps，脈沖譜寬7.55nm(小于濾波器譜寬8nm)，脈沖頻率40.8MHz，峰值功率89.4W，脈沖能量0.62nJ，平均功率25.3mW。由于環(huán)形腔是全正常色散，所產(chǎn)生的上述脈沖有線性頻率變化(啁啾)，脈沖前沿頻率較低，后沿頻率較高。必須通過負(fù)色散元件使脈沖去啁啾，從而達到最窄脈沖(脈沖壓縮)。
[0020]本實用新型利用啁啾放大器來對上述脈沖放大及去啁啾。參照圖2，啁啾放大器包括依次連接的一級展寬器11、一級放大器以及負(fù)色散元件，一級放大器由有源光纖12、合束器13以及栗浦源14組成。一級展寬器11可以壓制放大器中非線性效應(yīng)，以降低脈沖峰值功率，其一般利用長度較長的光纖實現(xiàn)，具體實施時可選用為100m。一級放大器可以放大環(huán)形光纖激光器種子源所輸出的脈沖功率，其具體參數(shù)優(yōu)選為，有源光纖12的半徑為20μπι，長度為2m，栗浦源14的中心波長為975nm，功率為1.2W。另外，如果希望平均功率不變而要提高最后輸出脈沖峰值功率，可以加一采摘器1，使脈沖頻率為種子頻率的I /N
[0021]為了去啁啾可以用任何負(fù)色散元件來補償，例如光子晶體光纖，光纖光柵(透射的或反射的)，本實施例中負(fù)色散元件由啁啾反射光柵15和回轉(zhuǎn)器16組成。啁啾脈沖通過回轉(zhuǎn)器16入射到啁啾反射光柵15，反射光回到回轉(zhuǎn)器16并從回轉(zhuǎn)器16 口輸出。由于光柵是線性啁啾的，不同頻率的光在光柵上不同位置反射，得到不同的延遲，從而改變了脈寬，例如脈沖前沿是低頻，在遠(yuǎn)處反射，有大的延遲，反之后沿是高頻，在近處反射，延遲較小，這就使脈沖壓縮。
[0022]如前所述的脈沖寬度窄為6.21ps，脈沖譜寬7.55nm，脈沖頻率40.8MHz，峰值功率89.4W，脈沖能量0.62nJ，平均功率25.3mW的超短脈沖經(jīng)過啁啾放大器處理后，展寬器輸出脈寬46.6ps，峰功率13.9W，譜寬I Inm，其它頻率，能量，平均功率不變。放大器輸出脈沖峰功率為1.4kW，脈沖能量58.9nJ，平均功率2.4W。通過壓縮器(負(fù)色散元件)后脈沖寬度為29(^8，峰值功率1771^，譜寬11.111111，脈沖頻率仍為40.81取，平均功率仍為2.41
[0023]以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.用石墨烯飽和吸收體鎖模的超短脈沖光纖激光器系統(tǒng)，其特征在于:包括環(huán)形光纖激光器種子源和啁啾放大器，所述環(huán)形光纖激光器種子源包括石墨烯飽和吸收體、連接有LD栗浦的波分復(fù)用器、摻Y(jié)b有源光纖、第一無源光纖、輸出耦合器、帶通濾波器、光隔離器以及第二無源光纖，石墨烯飽和吸收體、波分復(fù)用器、摻Y(jié)b有源光纖、第一無源光纖、輸出耦合器、帶通濾波器、光隔離器以及第二無源光纖依次連接成環(huán)形，所述石墨烯飽和吸收體為三層石墨烯膜，所述啁啾放大器包括依次連接的一級展寬器、一級放大器以及負(fù)色散元件，一級放大器由有源光纖、合束器以及栗浦源組成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用石墨烯飽和吸收體鎖模的超短脈沖光纖激光器系統(tǒng)，其特征在于:所述帶通濾波器的中心波長為1030nm，濾波器譜寬為8nm，第一無源光纖的半徑為3ym，長度為1.2m，第二無源光纖的半徑為3μηι，長度為3m，摻Y(jié)b有源光纖的半徑為3μηι，長度為0.8m, LD栗浦的功率為140mff。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用石墨烯飽和吸收體鎖模的超短脈沖光纖激光器系統(tǒng)，其特征在于:一級展寬器為10m長的光纖，一級放大器的有源光纖的半徑為20μπι，長度為2m，栗浦源的中心波長為975nm，功率為1.214.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用石墨烯飽和吸收體鎖模的超短脈沖光纖激光器系統(tǒng)，其特征在于:所述負(fù)色散元件由啁啾反射光柵和回轉(zhuǎn)器組成。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用石墨烯飽和吸收體鎖模的超短脈沖光纖激光器系統(tǒng)，其特征在于:所述啁啾放大器還包括連接于一級展寬器前端的采摘器。
【文檔編號】H01S3/067GK205583366SQ201620359436
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年4月26日
【發(fā)明人】李豐, 黃偉, 談根林, 張巍巍, 劉洋
【申請人】蕪湖安瑞激光科技有限公司