石墨烯包覆在内置微结构的多模光纤表面可饱和吸收体

摘要

本发明公开了一种石墨烯包覆在内置微结构的多模光纤表面可饱和吸收体器件，采用石墨烯与渐变折射率多模光纤共同作用的混合结构。所述可饱和吸收体器件包括第一单模光纤、基于多模光纤的混合结构、第二单模光纤。所述基于多模光纤的混合结构由内置微结构的锥形渐变折射率多模光纤和单层石墨烯薄膜构成。渐变折射率多模光纤首先进行微拉锥处理，其次在锥腰处纤芯内部刻写微结构，然后在光纤锥腰表面包覆石墨烯薄膜，最后在多模光纤两端熔接单模光纤。所述的可饱和吸收体结合了多模光纤中的非线性多模干涉效应和石墨烯的可饱和吸收特性，可对高能量脉冲的脉宽进行二次压缩，从而获得超短脉冲。本发明具有结构坚固、稳定性强、损伤阈值高等优点，为获得稳定的超短脉冲锁模提供了一种有效的技术手段。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤激光器和非线性光学技术领域，更具体涉及一种石墨烯包覆在内置微结构的多模光纤表面可饱和吸收体器件。

技术背景

可饱和吸收体是被动锁模激光器中产生超短脉冲的关键部件，大调制深度的可饱和吸收体可支持高脉冲能量且有助于产生超快孤子，在多孤子脉冲动力学研究等方面扮演了重要的角色。目前，主要报道了两种常用的可饱和吸收体。第一类是基于材料自身的可饱和吸收特性，包括半导体可饱和吸收棱镜、二维纳米材料如单碳纳米管，拓扑绝缘体，石墨烯，过渡族金属二硫属化物和黑鳞等；其中，半导体可饱和吸收棱镜是最早也是最成熟的技术，但是，由于高成本，低损伤阈值以及窄工作带宽限制了其应用。第二类是利用光学元件的非线性或双折射效应，如非线性偏转旋转技术和非线性放大环形镜，但是这种装置在实际应用中稳定性较差。

相较于传统的可饱和吸收棱镜和单碳纳米管，石墨烯的损伤阈值高，恢复时间快，性能稳定。此外，作为一种零带隙的特殊半导体，石墨烯对几乎所有波段的光都有吸收，决定了它是一种超宽带的超快可饱和吸收体，常见的方法是将石墨烯沉积在侧面抛光的D型光纤或锥形光纤，光以倏逝波的形式与石墨烯相互作用实现锁模。自“单模-多模-单模混合结构”作为可饱和吸收体这一理论被提出以来，基于渐变折射率多模光纤中的多模干涉效应的全光纤锁模激光器就吸引了人们的广泛研究，渐变折射率多模光纤为超短脉冲的产生提供了大量新颖而复杂的非线性现象。但在实际应用中需要精确控制多模光纤的长度，这无疑增加了生产难度和成本。

本发明提出了一种基于非线性多模干涉和石墨烯共同作用的可饱和吸收体，这是首次将两种可饱和吸收机制进行结合，充分利用了石墨烯在饱和吸收方面的优势，同时消除了非线性多模干涉效应中需要对多模光纤长度精密控制这一缺陷，可用于被动锁模激光器中，获得稳定的超短脉冲。

发明内容

鉴于现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种石墨烯包覆在内置微结构的多模光纤表面可饱和吸收体，并应用于被动锁模光纤激光器，获得稳定的超短脉冲输出。其主要的优点在于结构坚固且紧凑、性能稳定、制造成本低。

根据所提出的目的，本发明用以解决技术问题所采取的技术措施为：采用石墨烯与渐变折射率多模光纤共同作用的混合结构。所述可饱和吸收体器件包括第一单模光纤、基于多模光纤的混合结构、第二单模光纤。所述基于多模光纤的混合结构由内置微结构的锥形渐变折射率多模光纤和少层石墨烯薄膜构成。渐变折射率多模光纤首先进行微拉锥处理，其次在锥腰处纤芯内部刻写微结构，然后在光纤锥腰表面包覆一层石墨烯薄膜，最后在多模光纤两端熔接单模光纤。所述的可饱和吸收体结合了多模光纤中的非线性多模干涉效应和石墨烯的可饱和吸收特性，可对高能量脉冲的脉宽进行二次压缩，从而获得超短脉冲。

优选的，所述基于多模光纤的混合结构包括一段刻写有微结构的锥形多模光纤和单层石墨烯，所述单层石墨烯包覆在所述锥形多模光纤的锥腰位置的表面。

优选的，所述锥形多模光纤由光纤拉锥机对渐变折射率多模光纤拉锥制作而成，其长度为27cm,锥腰处的直径为60μm。

优选的，所述内置微结构由飞秒微加工技术刻写在锥形多模光纤锥腰处纤芯的内部，微结构是边长为10μm的正方体形状。

优选的，所述石墨烯采用商用的单层石墨烯，并包覆在锥形多模光纤刻写有微结构位置的表面。

优选的，所述的两段单模光纤的长度为50cm，外包层直径为125μm，纤芯直径是8μm。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明的可饱和吸收体采用价格低廉的多模光纤，单模光纤，石墨烯，不仅制作成本低，而且制作步骤简单，方便快捷。

2、本发明的可饱和吸收体的多模光纤引入微结构，消除了传统的“单模-多模-单模结构”作为可饱和吸收体时对多模光纤长度的精密控制，降低了制作难度。

3、本发明的可饱和吸收体结合石墨烯的可饱和吸收特性和多模光纤非线性多模干涉效应，其应用于被动锁模激光器可实现对脉冲的二次压缩，以获得稳定的超短脉冲。

附图说明

为了更直观地展现本发明实施例或技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明光纤激光器系统示意图。

图2为本发明可饱和吸收体的结构示意图。

图中，1.半导体泵浦源，2.波分复用器，3.增益光纤，4.隔离器，5.耦合器，6.偏振控制器，7.可饱和吸收体，8.第一单模光纤，9.石墨烯薄膜，10.微结构，11.锥形多模光纤，12.第二单模光纤。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：

本发明的光纤激光器系统示意图如图1所示，半导体泵浦源1连接在波分复用器2的输入端，波分复用器2、增益光纤3、隔离器4、耦合器5、偏振控制器6和可饱和吸收体7依次连接成环状，形成环形激光谐振腔。

本发明提供的可饱和吸收体结构的示意图如图2所示，所述的可饱和吸收体结构7，由第一单模光纤8、石墨烯薄膜9、微结构10、锥形多模光纤11、第二单模光纤12组成。

所述可饱和吸收体结构，其具体制备过程如下：

(1)使用光纤拉锥机对渐变折射率多模光纤进行拉锥操作，得到锥形多模光纤11。

(2)使用飞秒微加工技术在锥形多模光纤11的锥腰位置内部刻写正方体形状微结构。

(3)将处理过后的单层石墨烯包覆在内置微结构的锥形多模光纤锥腰表面。

(4)将锥形多模光纤11的一端与第一单模光纤熔接，另一端与第二单模光纤连接，即可得到基于石墨烯包覆在内置微结构的多模光纤表面的可饱和吸收体。

结合图2，介绍可饱和吸收体的具体的工作原理：根据非线性多模干涉效应的理论解释，渐变折射率多模光纤中存在的非线性效应(自相位调制和交叉相位调制等)会引起光纤等效折射率的改变，导致高峰值功率下的自聚焦长度与低峰值功率下的不同。而当渐变折射率多模光纤的长度被精确控制为某一长度，即相干长度的整数倍时，在低功率线性传播中，光束从多模光纤到单模光纤具有最低的透射率，而对于高功率信号，光将保持并耦合到单模光纤纤芯。因此，功率决定的传输导致高强度信号从多模光纤到单模光纤更有效的耦合。本发明提出的内置微结构会影响多模光纤中的模场分布，以消除传统的可饱和吸收体对渐变折射率多模光纤长度的精密控制，简化了制作难度；其次，被微结构激发的高阶模以倏逝波的形式与光纤表面的石墨烯相互作用，石墨烯薄膜的饱和吸收特性实现对脉冲信号的低功率部分进一步吸收，最后输出稳定的超短脉冲。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应被理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。