本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種通過石墨烯反射鏡切換波長的鎖模光纖激光器系統(tǒng)以及波長切換方法。

背景技術(shù)：

光纖激光器具有體積小、重量輕、轉(zhuǎn)換效率高、輸出激光光束質(zhì)量好等優(yōu)點，因此近年來得到迅猛發(fā)展。特別是鎖模光纖激光器由于能夠超短脈沖激光，在探測診斷、生物醫(yī)藥、精密微加工和軍事等眾多領(lǐng)域有著廣闊的前景。鎖模技術(shù)主要可分為主動鎖模、被動鎖模、自鎖模和混合鎖模技術(shù)。其中被動鎖模技術(shù)由于不需要外界附加調(diào)制源，易于實現(xiàn)全光纖化的優(yōu)勢，成為研究的熱點，有著重要的實際應(yīng)用意義。

被動鎖模光纖激光技術(shù)的基本原理是結(jié)合諧振腔中光纖的色散、激光的非線性效應(yīng)、光纖對激光的增益與損耗四者之間的平衡，并且經(jīng)過被動鎖模元件對激光強度或相位的非線性吸收作用實現(xiàn)激光的相位鎖定，從而獲得超短脈沖激光輸出。通常實現(xiàn)被動鎖模的光纖激光技術(shù)有半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)、碳納米管(SWNT)等技術(shù)，但是這兩種技術(shù)都存在不足。SESAM制作工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本高、可飽和吸收光譜范圍相對較窄。SWNT因?qū)す獠ㄩL有選擇性而不能普適。最近，石墨烯(Graphene)材料被發(fā)現(xiàn)可用作新型的可飽和吸收體，可用于光纖激光器鎖模。石墨烯是由單層碳原子精密堆積成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料。作為飽和吸收體，石墨烯具有很寬的波長工作范圍，并且制作簡單，工藝多樣化，可以利用物理機械剝離和化學(xué)沉積等方法實現(xiàn)。

全保偏鎖模光纖激光器是可以實現(xiàn)線偏振超短脈沖激光輸出的激光系統(tǒng)，激光腔內(nèi)的增益光纖和傳輸光纖是由折射率橫向異性的光纖組成，例如熊貓光纖等。相對于普通鎖模光纖激光器，全保偏鎖模光纖激光器的光纖雙折射特征因不易受到周圍環(huán)境溫度及力矩的影響，輸出的鎖模激光更加穩(wěn)定。并且，輸出的線偏振激光在許多領(lǐng)域有更好的應(yīng)用價值，例如精細微加工、科學(xué)研究等領(lǐng)域。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

區(qū)別于現(xiàn)有NPR技術(shù)實現(xiàn)雙波長鎖模激光輸出，本發(fā)明直接通過調(diào)節(jié)保偏光纖輸出的近似線偏振激光的方位角分別在中心波長1532nm和1558nm處實現(xiàn)激光鎖模輸出。本發(fā)明提供了一種雙波長調(diào)節(jié)更為方便，并可實現(xiàn)高消光比線偏振激光輸出的超短脈沖光纖激光系統(tǒng)。通過準直器切換波長的鎖模光纖激光器系統(tǒng)以及波長切換方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：提供了一種通過石墨烯反射鏡切換波長的鎖模光纖激光器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括依次連接的泵浦源、波分復(fù)用光纖耦合器、摻鉺增益光纖、隔離器、環(huán)形器、金屬反射鏡、石墨烯可飽和吸收體和輸出耦合器，其中所述石墨烯可飽和吸收體貼附于所述金屬反射鏡表面；所述金屬反射鏡設(shè)置成沿垂直于激光入射的方向旋轉(zhuǎn)一定角度；從所述泵浦源發(fā)出的泵浦光通過波分復(fù)用光纖耦合器的泵浦端進入所述摻鉺保偏增益光纖中，產(chǎn)生的光經(jīng)過所述環(huán)形器逆時針振蕩放大，所述環(huán)形器把信號光由其第一端口導(dǎo)入到第二端口輸出，從第二端口輸出的近似準直的激光經(jīng)過連接的短棒型光纖，經(jīng)金屬反射鏡反射，再次入射進第二端口，然后從第三端口出射進入所述輸出耦合器，分出一定比例的功率的激光輸出。

優(yōu)選地，所述波分復(fù)用光纖耦合器中的信號傳輸光纖包括保偏光纖。

優(yōu)選地，所述泵浦源包括激光器和尾纖為單模光纖。

優(yōu)選地，所述輸出耦合器是輸出比例30:70的保偏光纖耦合器。

優(yōu)選地，所述玻璃短棒型光纖端口的光纖是短棒型光纖，外徑1.6mm，長度2.6mm，端面為傾斜7-12°角，可對纖芯傳輸?shù)?.5μm激光在端口處實現(xiàn)近似準直輸出。

優(yōu)選地，所述玻璃短棒型光纖端口的端面為傾斜8°角。

優(yōu)選地，所述金屬反射鏡緊靠所述第二端口放置，間隔在0.1-2毫米之間。

優(yōu)選地，所述石墨烯可飽和吸收體的層厚度是100nm-10um之間

優(yōu)選地，所述石墨烯可飽和吸收體的層厚度是800nm-1um之間。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明采用保偏光纖作為鎖模光纖激光器的環(huán)形諧振腔，實現(xiàn)高消光比的線偏振激光輸出。

2、本發(fā)明采用金屬反射鏡作為調(diào)節(jié)偏振角和正交偏振態(tài)相位延遲，實現(xiàn)兩個中心波長激光鎖模輸出，結(jié)構(gòu)簡單，操作便利。

3、本發(fā)明采用多層石墨烯飽和吸收體作為鎖模器件，降低了制作成本和工藝難度，易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

應(yīng)當理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當用作對本發(fā)明所要求保護內(nèi)容的限制。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點將通過本發(fā)明實施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1為可調(diào)節(jié)的兩個中心波長鎖模的脈沖光纖激光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖2為圖1中的保偏光纖環(huán)形器和石墨烯可飽和吸收體的局部結(jié)構(gòu)放大。

圖3為分辨率為0.02nm的光譜儀測量輸出的鎖模激光光譜圖。

圖4為帶寬1GHz的示波器測量輸出的鎖模激光脈沖時域圖。

具體實施方式

參見圖1，本發(fā)明提供了一種可調(diào)節(jié)的兩個中心波長鎖模的脈沖光纖激光系統(tǒng)100，該系統(tǒng)100包括依次連接的泵浦源1、波分復(fù)用光纖耦合器2、摻鉺增益光纖3、隔離器9、環(huán)形器4、金屬反射鏡5、石墨烯可飽和吸收體6和輸出耦合器7。其中石墨烯可飽和吸收體6貼附于金屬反射鏡5表面。

其中，從泵浦源1發(fā)出的泵浦光通過波分復(fù)用光纖耦合器2的泵浦端進入長度為1m的摻鉺保偏增益光纖3中，產(chǎn)生的C+L波段的信號光經(jīng)過隔離器9逆時針振蕩放大。隔離器9對順時針方向的信號光完全隔離，這種設(shè)計優(yōu)點是可以完全濾除信號光中剩余的泵浦光。環(huán)形器4把信號光由端口a導(dǎo)入到端口b輸出，從端口b輸出的近似準直的激光經(jīng)過貼附石墨烯可飽和吸收體6的金屬反射鏡5反射后實現(xiàn)了鎖模放大，再次入射進端口b，然后從端口c出射進入耦合器。最后，鎖模放大的激光經(jīng)過輸出耦合器7分出一定比例的功率的激光輸出。

優(yōu)選地，所述泵浦源1包括激光器和尾纖為單模光纖；

所述摻鉺增益光纖是對泵浦光高吸收比的高濃度保偏摻鉺光纖。

優(yōu)選地，所述輸出耦合器是輸出比例30:70的保偏光纖耦合器，即鎖模放大的激光經(jīng)過輸出耦合器7分出30％的功率的激光輸出。

金屬反射鏡5設(shè)置成可以沿著圖1所示的方向，即沿著垂直于激光入射的方向旋轉(zhuǎn)一定角度，例如±30度之間。

優(yōu)選地，波分復(fù)用光纖耦合器中的信號傳輸光纖包括保偏光纖。

根據(jù)本發(fā)明，摻鉺增益光纖3的芯徑由所采用的有源光纖決定，包層芯徑優(yōu)選為125μm，光纖纖芯的芯徑可以選用4μm、8μm或10μm，優(yōu)選為10/125μm。根據(jù)本發(fā)明具體實施例，光纖的類型應(yīng)與泵浦源1的泵浦波長相匹配。

摻鉺光纖所匹配的泵浦波長可采用980nm或1480nm，根據(jù)波長和芯徑參數(shù)進一步確定波分復(fù)用光纖耦合器2的參數(shù)。最終出射的激光波長在有源光纖一定增益范圍內(nèi)(如1530-1560nm)由布拉格光纖光柵的反射波長確定。摻鉺光纖的典型出射波長為1064nm。

例如，在本實施例中，若選用芯徑為10/125μm摻鉺光纖作為增益介質(zhì)。泵浦源1輸出波長976nm，可在該范圍內(nèi)獲得激光輸出。實驗中若選用芯徑為10/125μm摻鉺光纖作為增益介質(zhì)，泵浦源1的尾纖需選取同樣型號芯徑。泵浦源1為915nm單模輸出，可在該范圍內(nèi)獲得激光輸出。

圖2為圖1中的保偏光纖環(huán)形器和石墨烯可飽和吸收體的局部結(jié)構(gòu)放大。

如圖2所示，其中由保偏光纖組成的環(huán)形器4把信號光由端口a導(dǎo)入到端口b，所述端口b連接有短棒型光纖8，從端口b出射的近似準直的激光經(jīng)過短棒型光纖8出射到貼附石墨烯可飽和吸收體6的金屬反射鏡5層上，再經(jīng)過貼附石墨烯可飽和吸收體6的金屬反射鏡5反射后，再次入射進端口b，經(jīng)端口c進入環(huán)形腔鎖模放大。金屬反射鏡5緊靠端口9放置，例如間隔在0.1-2毫米之間，盡量增加反射的信號光在端口9的耦合輸入。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，短棒型光纖8的外徑1.6mm，長度2.6mm，端面為傾斜角度7-12°，優(yōu)選8°，可對纖芯傳輸?shù)?.5μm激光在端口處實現(xiàn)近似準直輸出。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述短棒型光纖8優(yōu)選為玻璃材質(zhì)。

所述石墨烯飽和吸收體6可通過機械剝離及化學(xué)合成等方法制備出單層石墨烯膜，然后通過濕法轉(zhuǎn)移或干法轉(zhuǎn)移等貼附在金屬鏡面，可通過層層疊加方法，制備出5-10層石墨烯飽和吸收體。石墨烯可飽和吸收體6的層厚度例如是100nm-10um之間，優(yōu)選在800nm-1um之間。

所述金屬反射鏡是反射率大于90％的鍍金或鍍銀反射鏡。

因為金屬反射鏡5可改變?nèi)肷涔馄駪B(tài)方位角和正交偏振態(tài)的相位延遲，如公式(3)所示的金屬反射鏡反射的偏振光方位角和正交偏振態(tài)的相位延遲與入射光的偏振態(tài)關(guān)系。

tanα_r＝Pe^-iΔφtanα_i (3)

在上式中，α_r和α_i分別表示反射和入射線偏振態(tài)激光的方位角，P代表反射系數(shù)，Δφ代表快慢軸的相位延遲。所以，通過精密調(diào)節(jié)反射鏡5的反射角度，可改變反射光的偏振態(tài)方位角及正交偏振分量的相位延遲，進而，根據(jù)公式(2)，實現(xiàn)調(diào)節(jié)不同波長激光的增益與損耗。最終可分別在中心波長1532nm和1558nm處實現(xiàn)激光鎖模輸出。

Δφ＝Δφ_PC+Δφ_LB+Δφ_NL，Δφ_LB＝2πLB_m/λ (3)

在上面公式中，T代表傳輸系數(shù)，θ代表起偏角，代表檢偏角，Δφ_PC、Δφ_LB和Δφ_NL分別代表偏振控制器、光纖雙折射和非線性效應(yīng)引起的位相延遲，L和B_m分別代表激光腔長和光纖歸一化雙折射率。其中，光纖雙折射引發(fā)的位相延遲隨波長成反比例變化，可以實現(xiàn)濾波功能。

圖3為分辨率為0.02nm的光譜儀測量輸出的鎖模激光光譜圖。圖4為帶寬1GHz的示波器測量輸出的鎖模激光脈沖時域圖。

根據(jù)本發(fā)明的摻鉺光纖激光器可以調(diào)節(jié)貼附有石墨烯飽和吸收體層的金屬反射鏡的角度，從而可改變?nèi)肷涔馄駪B(tài)方位角和正交偏振態(tài)的相位延遲，可以實現(xiàn)1532nm和1558nm兩個中心波長鎖模，從而可以改變對應(yīng)波長的激光透射率和增益與損耗，實現(xiàn)不同波長激光放大同時鎖模。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說明和實踐，本發(fā)明的其他實施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說明和實施例僅被認為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。