本發(fā)明涉及一種石墨烯被動(dòng)鎖模光纖激光器，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

脈沖光纖激光器作為脈沖光源具有結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性高，轉(zhuǎn)化效率高，光束質(zhì)量好，易維護(hù)和成本低等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)加工，醫(yī)療，通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。尤其基于光纖鎖模技術(shù)的超短脈沖研究在精細(xì)加工，光纖傳感，精密光學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域潛力巨大。目前所報(bào)道的主要鎖模光纖激光技術(shù)包括非線性偏振旋轉(zhuǎn)(nonlinear polarization evolution，NPR)鎖模、非線性光纖環(huán)鏡(nonlinear optical loop mirrors，NOLM)鎖模、半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(semiconductor saturable absorber mirror，SESAM)鎖模以及單壁碳納米管(single-walled carbon nanotubes，SWNT)鎖模等。NPR與NOLM技術(shù)的缺點(diǎn)是在激光腔內(nèi)加入的起偏器和偏振控制器等元件導(dǎo)致了腔內(nèi)更多損耗。SESAM制作和封裝工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴且可飽和吸收譜范圍較窄。SWNT因其作用波長(zhǎng)與其納米管直徑尺寸相關(guān)，對(duì)波長(zhǎng)具有選擇性，從而限制了其應(yīng)用。

石墨烯自2004年問世以來(lái)，以其獨(dú)特的非線性光學(xué)特性，及優(yōu)秀的可飽和吸收特性而獲得越來(lái)越多的關(guān)注。其獨(dú)特的線性能帶結(jié)構(gòu)，可使其在很寬的光譜范圍(300～3000nm)實(shí)現(xiàn)非線性飽和吸收；另外，石墨烯還具有較高的調(diào)制深度、高的損傷閾值、超快的恢復(fù)時(shí)間，價(jià)格低廉、易于制作等優(yōu)點(diǎn)。所以，基于石墨烯的光調(diào)制技術(shù)已經(jīng)成為脈沖光纖激光器的研究熱點(diǎn)。

2009年，南洋理工大學(xué)Bao等首次以石墨烯作為可飽和吸收體實(shí)現(xiàn)了脈沖寬度為756fs，重復(fù)頻率為1.79MHz，中心波長(zhǎng)為1565nm的摻鉺鎖模光纖激光輸出。2010年，劍橋大學(xué)Sun等采用石墨烯作為可飽和吸收體，通過(guò)腔內(nèi)加入帶通濾波器，獲得中心波長(zhǎng)在1525～1559nm之間可調(diào)諧的孤子脈沖輸出。2013年，山東大學(xué)馮德軍等采用少層石墨烯可飽和吸收體在環(huán)形腔中通過(guò)改變兩個(gè)光纖活動(dòng)接頭之間的空氣腔的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)了激光波長(zhǎng)在1557～1561nm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)諧脈沖輸出。2014年，香港理工大學(xué)He等基于石墨烯實(shí)現(xiàn)熔錐光纖倏逝場(chǎng)鎖模，通過(guò)改變腔內(nèi)的偏振態(tài)實(shí)現(xiàn)了脈沖寬度在2.32～9.24ps的可調(diào)諧輸出。2015年，弗羅茨瓦夫科技大學(xué)Jaroslaw等以60層石墨烯作為可飽和吸收體結(jié)合色散補(bǔ)償光纖實(shí)現(xiàn)了脈沖寬度為88fs的鎖模激光輸出。同年，劍橋大學(xué)Purdie等基于透射式石墨烯可飽和吸收體實(shí)現(xiàn)全光纖結(jié)構(gòu)鎖模激光輸出，并通過(guò)腔外壓縮獲得脈沖寬度29fs的超短脈沖。但是這些石墨烯飽和吸收體被動(dòng)鎖模光纖激光器容易受環(huán)境的變化而不穩(wěn)定，這意味著它們是對(duì)諸如顯著溫度變化和機(jī)械擾動(dòng)這類外部引起的變化較為敏感的，這將影響光纖的雙折射特性，致使鎖模激光器穩(wěn)定性降低。

因此，需要一種能有效地實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的脈沖輸出的全保偏光纖鎖模技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)基階與二階諧波鎖模可切換的光纖激光系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種可實(shí)現(xiàn)基階與二階諧波鎖?？汕袚Q的光纖激光系統(tǒng)，采用基于反射式石墨烯飽和吸收鏡的全保偏光纖鎖模技術(shù)，包括全保偏摻鉺光纖激光器，所述全保偏摻鉺光纖激光器包括1m熊貓型保偏摻鉺光纖、980/1550保偏波分復(fù)用器、石墨烯可飽和吸收鏡、30％輸出保偏耦合器、保偏環(huán)形器和976nm激光二極管；所述全保偏摻鉺光纖激光器采用全保偏光纖諧振腔。

所述保偏光纖和保偏器件均由Fujikura光纖熔接機(jī)(FSM-100)沿慢軸精確對(duì)準(zhǔn)熔接。

所述保偏摻鉺光纖(Nufern公司，PM-ESF-7/125)在976nm處的吸收系數(shù)約為24dB/m，在1550nm波長(zhǎng)處具有約-0.02ps2/m的群速度色散(group velocity dispersion，GVD)。

所述保偏環(huán)形器具有較高的隔離度(～50dB)，可以實(shí)現(xiàn)激光在腔內(nèi)的單向傳輸，并可把十層石墨烯可飽和吸收鏡有效接入到全保偏光纖諧振腔內(nèi)；所述全保偏光纖諧振腔總腔長(zhǎng)約為6.5m，總?cè)核俣壬⒓s為-0.13ps2。

所述光纖激光系統(tǒng)是由帶單模尾纖輸出的976nm激光二極管(Laser Diode，LD)進(jìn)行反向泵浦。

所述光纖激光系統(tǒng)采用反射式石墨烯可飽和吸收鏡，相比于目前常見的基于透射式結(jié)構(gòu)石墨烯鎖模的全保偏光纖激光器，具有更靈活的調(diào)節(jié)空間，便于腔內(nèi)激光增益和損耗的調(diào)節(jié)。

所述全保偏光纖諧振腔可避免環(huán)境中外力(壓力、彎曲等)引起的光纖雙折射變化造成鎖模激光不穩(wěn)定；可保持激光以單一線偏振方向沿保偏光纖慢軸在腔內(nèi)傳輸，更易實(shí)現(xiàn)鎖模脈沖自啟動(dòng)；可減少偏振控制器等元件的使用，降低腔內(nèi)損耗等優(yōu)勢(shì)。

所述反射式石墨烯可飽和吸收鏡，采用5層以上石墨烯作為可飽和吸收體，石墨烯的調(diào)制深度隨層數(shù)增加而增加，在調(diào)制深度不夠的情況下不能產(chǎn)生二階鎖模輸出；在泵浦功率79mW到102mW獲得了基階鎖模脈沖，在到達(dá)108mW時(shí)獲得了二階鎖模脈沖，實(shí)現(xiàn)了無(wú)偏振調(diào)節(jié)情況下，僅依靠調(diào)節(jié)泵浦功率實(shí)現(xiàn)基階鎖模和二階鎖模可切換輸出的單一線偏振飛秒激光光源。

應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說(shuō)明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。

附圖說(shuō)明

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

圖1是本發(fā)明中基于反射式石墨烯可飽和吸收鏡鎖模的全保偏摻鉺光纖激光器示意圖，其中101為1m熊貓型保偏摻鉺光纖101、102為980/1550保偏波分復(fù)用器、103為石墨烯可飽和吸收鏡、104為30％輸出保偏耦合器、105為保偏環(huán)形器、106為976nm激光二極管。

圖2示意性示出石墨烯可飽和吸收鏡鎖模脈沖序列，表示獲得的基階鎖模的脈沖的示意，便于與二階鎖模對(duì)比。)

圖3示意性示出石墨烯可飽和吸收鏡鎖模激光器的自相關(guān)軌跡。

圖4示意性示出十層石墨烯可飽和吸收鏡鎖模激光器的頻譜。

圖5示意性示出二階諧波鎖模激光的：圖5(a)脈沖序列，圖5(b)頻譜，圖5(c)自相關(guān)軌跡，圖5(d)光譜。

具體實(shí)施方式

通過(guò)參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實(shí)施例；可以通過(guò)不同形式來(lái)對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說(shuō)明書的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種可實(shí)現(xiàn)基階與二階諧波鎖模可切換的光纖激光系統(tǒng)，包括全保偏摻鉺光纖激光器，所述全保偏摻鉺光纖激光器包括1m熊貓型保偏摻鉺光纖101、980/1550保偏波分復(fù)用器102、石墨烯可飽和吸收鏡103、30％輸出保偏耦合器104、保偏環(huán)形器105和976nm激光二極管106，所述全保偏摻鉺光纖激光器采用全保偏光纖諧振腔。

所述保偏光纖和保偏器件均由Fujikura光纖熔接機(jī)(FSM-100)沿慢軸精確對(duì)準(zhǔn)熔接。

所述全保偏摻鉺光纖激光器由帶單模尾纖輸出的976nm激光二極管106(Laser Diode，LD)進(jìn)行反向泵浦。

所述1m熊貓型保偏摻鉺光纖101(Nufern公司，PM-ESF-7/125)在976nm處的吸收系數(shù)約為24dB/m，在1550nm波長(zhǎng)處具有約-0.02ps2/m的群速度色散(group velocity dispersion，GVD)。保偏環(huán)形器105因具有較高的隔離度(～50dB)，可以實(shí)現(xiàn)激光在腔內(nèi)的單向傳輸，并可把十層石墨烯可飽和吸收鏡有效接入到全保偏光纖諧振腔內(nèi)。所述全保偏光纖諧振腔總腔長(zhǎng)約為6.5m，總?cè)核俣壬⒓s為-0.13ps2。

本發(fā)明中使用的石墨烯制備方法如下：

通過(guò)化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)法沉積在銅箔載片上；

使用低溫轉(zhuǎn)移方法，利用PMMA高分子溶液逐層轉(zhuǎn)移到保護(hù)金反射鏡上，使石墨烯與反射鏡充分接觸，避免產(chǎn)生氣泡；

利用丙酮將PMMA溶解去除。

采用此方法可得到高質(zhì)量的單層或多層石墨烯飽和吸收鏡103。以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果均基于十層石墨烯作為可飽和吸收體得出。

所述反射式石墨烯可飽和吸收鏡103采用精確十層石墨烯作為可飽和吸收體，在泵浦功率79mW到102mW獲得了基階鎖模脈沖，在到達(dá)108mW時(shí)獲得了二階鎖模脈沖，石墨烯可飽和吸收鏡103可實(shí)現(xiàn)在中心波長(zhǎng)1557.57nm處鎖模激光輸出；當(dāng)泵浦功率到達(dá)79mW時(shí)，調(diào)節(jié)石墨烯可飽和吸收鏡103角度并將其固定，得到穩(wěn)定的鎖模脈沖輸出，3dB譜寬為4.60nm。

當(dāng)泵浦功率為102mW時(shí)，3dB譜寬為6.61nm，平均功率為3.634mW，對(duì)應(yīng)的單脈沖能量為0.12nJ，輸出脈沖的寬度約為502fs，峰值功率為202.4W，如圖3所示；基于十層石墨烯的鎖模脈沖基頻為31.4687MHz；激光器的信噪比(signal noise ratio,SNR)大于75dB，說(shuō)明激光器處于高穩(wěn)定的鎖模狀態(tài)，如圖4所示；同時(shí)，通過(guò)消光比測(cè)試儀研究了輸出激光的偏振度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輸出鎖模激光的偏振消光比大于18.0dB。

當(dāng)泵浦功率升至108mW時(shí)，通過(guò)示波器可以觀測(cè)到相鄰脈沖間隔為15.95ns的二階諧波鎖模脈沖序列，如圖5(a)所示。這是因?yàn)橐粋€(gè)光孤子脈沖分裂為兩個(gè)相鄰很近的光孤子脈沖,接著由于兩個(gè)光孤子脈沖的相互作用,使得光脈沖重新分布進(jìn)而出現(xiàn)穩(wěn)定的等脈沖間距的二階諧波鎖模激光。圖5(b)為二階諧波鎖模脈沖的頻譜，重復(fù)頻率為62.94MHz，其SNR大于54dB，表明系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。圖5(c)為自相關(guān)儀采集的脈沖自相關(guān)信號(hào)，脈沖寬度為852fs。圖5(d)為二階諧波鎖模的光譜，3dB譜寬為3.61nm。

本發(fā)明中采用反射式石墨烯可飽和吸收鏡，在泵浦功率79mW到102mW獲得了基階鎖模脈沖，在到達(dá)108mW時(shí)獲得了二階鎖模脈沖，實(shí)現(xiàn)無(wú)偏振調(diào)節(jié)情況下，僅依靠調(diào)節(jié)泵浦功率實(shí)現(xiàn)基階鎖模和二階鎖?？汕袚Q輸出的單一線偏振飛秒激光光源。

本發(fā)明中采用全保偏光纖諧振腔，可避免環(huán)境中外力(壓力、彎曲等)引起的光纖雙折射變化造成鎖模激光不穩(wěn)定；可保持激光以單一線偏振方向沿保偏光纖慢軸在腔內(nèi)傳輸，更易實(shí)現(xiàn)鎖模脈沖自啟動(dòng)；可減少偏振控制器等元件的使用，降低腔內(nèi)損耗等優(yōu)勢(shì)。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說(shuō)明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說(shuō)明和實(shí)施例僅被認(rèn)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。