CN106877121B - 基于光控石墨烯啁啾布拉格光栅的脉宽可调激光器 - Google Patents

基于光控石墨烯啁啾布拉格光栅的脉宽可调激光器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于光控石墨烯啁啾布拉格光栅的脉宽可调激光器，其中第二激光器用于对石墨烯啁啾布拉格光栅的反射带宽进行光控调节，第一激光器输出的激光通过波分复用器传输给耦合器，耦合器将部分激光通过可饱和吸收体传输给石墨烯啁啾布拉格光栅，石墨烯啁啾布拉格光栅将与其反射带宽相同的激光反射传输回波分复用器，以对第一激光器输出的激光进行循环传输，直至从耦合器的第二输出端稳定输出脉宽与反射带宽相同的激光，在循环传输过程中，可饱和吸收体筛选出与反射带宽相同的激光；石墨烯啁啾布拉格光栅是采用包层被腐蚀的啁啾布拉格光栅包裹上石墨烯制成。通过本发明，可以提高调谐精度、稳定性和调谐范围，并缩短响应时间。

Description

基于光控石墨烯啁啾布拉格光栅的脉宽可调激光器
技术领域
本发明属于激光器领域，具体涉及一种基于光控石墨烯啁啾布拉格光栅的脉宽可调激光器。
背景技术
脉宽可调激光器具有结构简单、散热性好、效率高等优点，现在已经在光纤通信、光纤传感、激光切割、生物医疗、非线性光学等领域有十分重要的作用。现有的脉宽调谐手段主要分为以下几种方式：通过机械装置手动或者利用机械步进***调谐激光腔中的滤波器件以达到对输出的锁模脉冲的时域脉宽进行调谐；通过电场控制可饱和吸收体调制深度对脉宽进行调谐；除此之外通过外加激光调制可饱和吸收体的调制深度和损耗实现对脉宽的调谐。但机械谐方式由于机械步进***精度较低，机械装置复杂的限制，导致调制精度与调制重复性不高，响应时间较长。电场调制可饱和吸收体时放出焦耳热使得可饱和吸收体的热损伤阈值大幅降低，调制电压只能控制在小范围中，并且电场调谐由其受驱动电路响应影响，其调谐的光学调制器件工作带宽被限制。由此可见，目前的脉宽调谐方式存在调谐精度较低、稳定性较差、范围较窄以及响应时间较长的问题。
发明内容
本发明提供一种基于光控石墨烯布拉格光栅的脉宽可调激光器，以解决目前脉宽调谐方式存在的调谐精度较低、稳定性较差、范围较窄以及响应时间较长的问题。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于光控石墨烯啁啾布拉格光栅的脉宽可调激光器，包括第一激光器、第二激光器、石墨烯啁啾布拉格光栅、波分复用器、环形器、耦合器和可饱和吸收体，其中所述第一激光器的输出端连接所述波分复用器的第一输入端，所述波分复用器的输出端连接所述耦合器的输入端，所述耦合器的第一输出端通过所述可饱和吸收体连接所述环形器的第一端，所述环形器的第二端连接所述石墨烯啁啾布拉格光栅的第一端，第三端连接所述波分复用器的第二输入端，所述第二激光器的输出端连接所述石墨烯啁啾布拉格光栅的第二端；
所述第二激光器用于对所述石墨烯啁啾布拉格光栅的反射带宽进行光控调节，所述第一激光器输出的激光通过所述波分复用器传输给所述耦合器，所述耦合器将部分激光通过所述可饱和吸收体传输给所述石墨烯啁啾布拉格光栅，所述石墨烯啁啾布拉格光栅将与其反射带宽相同的激光反射传输回所述波分复用器，以对所述第一激光器输出的激光进行循环传输，直至从所述耦合器的第二输出端稳定输出脉宽与所述反射带宽相同的激光，在循环传输过程中，所述可饱和吸收体筛选出与所述反射带宽相同的激光；所述石墨烯啁啾布拉格光栅是采用包层被腐蚀的啁啾布拉格光栅包裹上石墨烯制成。
在一种可选的实现方式中，所述第二激光器用于通过改变输出激光的功率大小，来对所述石墨烯啁啾布拉格光栅的反射带宽进行光控调节，其中输出激光的功率越大，调节后的石墨烯啁啾布拉格光栅的反射带宽越宽。
在另一种可选的实现方式中，还包括设置在所述波分复用器与所述耦合器之间的掺饵光纤。
在另一种可选的实现方式中，还包括设置在所述波分复用器与所述耦合器之间的偏振控制器。
在另一种可选的实现方式中，还包括设置在所述波分复用器与所述耦合器之间的隔离器。
在另一种可选的实现方式中，所述石墨烯啁啾布拉格光栅中石墨烯所包裹的啁啾布拉格光栅的长度为3到6毫米。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过采用包层经腐蚀的啁啾布拉格光栅包裹上石墨烯制成石墨烯啁啾布拉格光栅，并基于激光功率大小对石墨烯啁啾布拉格光栅的反射带宽进行调节，可以利用石墨烯啁啾布拉格光栅反射带宽发生改变这一特性，实现脉宽可调激光的输出，采用这种脉宽可调方式可以提高调谐精度、稳定性和调谐范围，并缩短响应时间；
2、本发明通过设置掺饵光纤，对波分复用器输出的激光进行增益放大，设置偏振控制器可以激光进行偏振控制，设置隔离器对激光传输进行隔离，可以进一步保证输出激光的稳定性；
3、本发明通过将石墨烯啁啾布拉格光栅中石墨烯所包裹的啁啾布拉格光栅的长度为3到6毫米，在实现脉宽调节的前提下，可以不影响响应时间。
附图说明
图1是本发明基于光控石墨烯布拉格光栅的脉宽可调激光器的一个实施例结构示意图；
图2是本发明石墨烯啁啾布拉格光栅的一个实施例剖面示意图；
图3是本发明基于光控石墨烯布拉格光栅的脉宽可调激光器的另一个实施例结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参见图1，为本发明基于光控石墨烯布拉格光栅的脉宽可调激光器的一个实施例结构示意图。该基于光控石墨烯布拉格光栅的脉宽可调激光器可以包括第一激光器4、第二激光器6、石墨烯啁啾布拉格光栅1、波分复用器3、环形器5、耦合器9和可饱和吸收体10，其中所述第一激光器4的输出端连接所述波分复用器3的第一输入端，所述波分复用器3的输出端连接所述耦合器9的输入端，所述耦合器9的第一输出端通过所述可饱和吸收体10连接所述环形器5的第一端，所述环形器5的第二端连接所述石墨烯啁啾布拉格光栅1的第一端，第三端连接所述波分复用器3的第二输入端，所述第二激光器6的输出端连接所述石墨烯啁啾布拉格光栅1的第二端。
所述第二激光器6用于对所述石墨烯啁啾布拉格光栅1的反射带宽进行光控调节，所述第一激光器4输出的激光通过所述波分复用器3传输给所述耦合器9，所述耦合器9将部分激光通过所述可饱和吸收体10传输给所述石墨烯啁啾布拉格光栅1，所述石墨烯啁啾布拉格光栅1将与其反射带宽相同的激光反射传输回所述波分复用器3，以对所述第一激光器4输出的激光进行循环传输，直至从所述耦合器9的第二输出端稳定输出脉宽与所述石墨烯啁啾布拉格光栅1的反射带宽相同的激光，在循环传输过程中，所述可饱和吸收体10筛选出与所述反射带宽相同的激光；石墨烯啁啾布拉格光栅1是采用包层被腐蚀的啁啾布拉格光栅1-2包裹上石墨烯1-1制成，如图2所示。
本实施例中，当第二激光器6输出的泵浦光传输至石墨烯啁啾布拉格光栅后，从纤芯中溢出的光场会和包裹在啁啾布拉格光栅上的石墨烯发生相互作用。石墨烯具有零带隙结构，所以石墨烯价带中的电子很容易吸收泵浦光子跃迁到导带上，而且满足狄拉克分布，这一过程会直接导致石墨烯能带结构的电子分布发生改变。当改变泵浦光强度时，石墨烯的能带电子的分布也不一样。啁啾布拉格光栅的反射带宽是由纤芯折射率和周期分布决定的。由于啁啾布拉格光栅的纤芯已经被周期性的调制，包裹在纤芯上面的石墨烯的能带电子分布的变化会进一步导致光栅的调制折射率的改变，这样最终导致了光栅反射谱的带宽发生变化。因此，本发明可以通过改变调控石墨烯的泵浦光强来改变啁啾布拉格光栅的反射带宽。此时当第一激光器4输出的信号激光依次通过波分复用器3、耦合器9、可饱和吸收体10进入石墨烯啁啾布拉格光栅1之后，由于反射带宽改变，石墨烯啁啾布拉格光纤光栅1就会从信号激光中选出其反射波段带宽内的纵模，反射传输回波分复用器3。被石墨烯啁啾布拉格光栅1反射传输回波分复用器3的激光可以进行循环传输，在循环传输的过程中，可饱和吸收体10可以筛选与石墨烯啁啾布拉格光栅1的反射带宽相同的激光，从而保证耦合器9的第二输出端输出脉宽与石墨烯啁啾布拉格光栅1的反射带宽相同的激光。由此可见，本发明可以通过改变输出激光的功率大小，来对所述石墨烯啁啾布拉格光栅的反射带宽进行光控调节，从而实现输出激光脉宽的调节，其中输出激光的功率越大，调节后的石墨烯啁啾布拉格光栅的反射带宽越宽。
由于在光传输速率非常快，从第一激光器4输出激光到耦合器9的第二端稳定输出脉宽与石墨烯啁啾布拉格光栅1的激光所花费的时间非常短，因此本发明中的调谐响应时间较短，并且石墨烯啁啾布拉格光栅的反射带宽的调节是光控调节，与电场调谐不同，其不受其驱动电路的影响，因此调谐精度较高、调谐范围较宽。另外，本发明输出的激光的脉宽只与石墨烯啁啾布拉格光栅自身的性能以及第二激光器输出的激光功率有关，而两者一旦确定受外界影响较小，因而稳定性更好。
另外，石墨烯布拉格光栅的制作过程可以为：
(1)将商用C波段的啁啾布拉格光栅(反射带宽5到10纳米，反射中心波长为1550纳米，反射率大于90％，栅区长度12个毫米)浸泡在氢氟酸溶液中，对啁啾布拉格光栅的包层进行腐蚀，将光栅的直径腐蚀至12到18微米。
(2)将商用铜基单层石墨烯利用化学置换的方法将铜基去除。
(3)将去除铜基的单层石墨烯包裹到腐蚀后的啁啾布拉格光栅上。
需要注意的是：本实施例中可饱和吸收体可以采用石墨烯、碳纳米管、量子点或拓扑绝缘体，第一激光器和第二激光器可以为980nm泵浦激光器，波分复用器的第一输入端为980纳米波段激光输入端，第二输入端为1550纳米波段激光输入端，所述耦合器第一输出端和第二输出端的分光比为9:1，石墨烯啁啾布拉格光栅中石墨烯所包裹的啁啾布拉格光栅的长度为3到6毫米，由此在实现脉宽调节的前提下，可以不影响响应时间。
由上述实施例可见，本发明通过采用包层经腐蚀的啁啾布拉格光栅包裹上石墨烯制成石墨烯啁啾布拉格光栅，并基于激光功率大小对石墨烯啁啾布拉格光栅的反射带宽进行调节，可以利用石墨烯啁啾布拉格光栅反射带宽发生改变这一特性，实现脉宽可调激光的输出，采用这种脉宽可调方式可以提高调谐精度、稳定性和调谐范围，并缩短响应时间。
参见图3，为本发明基于光控石墨烯布拉格光栅的脉宽可调激光器的另一个实施例结构示意图。图3与图2所示基于光控石墨烯布拉格光栅的脉宽可调激光器的区别在于，还包括设置在所述波分复用器与所述耦合器之间的掺饵光纤2、偏振控制器3和隔离器8。
本实施例中，波分复用器3的输出端依次通过掺饵光纤2、偏振控制器3和隔离器8连接耦合器9的输入端。其中，掺饵光纤2可以对波分复用器3输出的激光进行增益放大，偏振控制器3可以对增益放大后的激光进行偏振控制，隔离器8可以对激光传输进行隔离，掺铒光纤2的长度为1米。
由上述实施例可见，本发明通过采用包层经腐蚀的啁啾布拉格光栅包裹上石墨烯制成石墨烯啁啾布拉格光栅，并基于激光功率大小对石墨烯啁啾布拉格光栅的反射带宽进行调节，可以利用石墨烯啁啾布拉格光栅反射带宽发生改变这一特性，实现脉宽可调激光的输出，采用这种脉宽可调方式可以提高调谐精度、稳定性和调谐范围，并缩短响应时间。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.一种基于光控石墨烯啁啾布拉格光栅的脉宽可调激光器，其特征在于，包括第一激光器、第二激光器、石墨烯啁啾布拉格光栅、波分复用器、环形器、耦合器和可饱和吸收体，其中所述第一激光器的输出端连接所述波分复用器的第一输入端，所述波分复用器的输出端连接所述耦合器的输入端，所述耦合器的第一输出端通过所述可饱和吸收体连接所述环形器的第一端，所述环形器的第二端连接所述石墨烯啁啾布拉格光栅的第一端，环形器的第三端连接所述波分复用器的第二输入端，所述第二激光器的输出端连接所述石墨烯啁啾布拉格光栅的第二端；
所述第二激光器用于对所述石墨烯啁啾布拉格光栅的反射带宽进行光控调节，所述第一激光器输出的激光通过所述波分复用器传输给所述耦合器，所述耦合器将部分激光通过所述可饱和吸收体传输给所述石墨烯啁啾布拉格光栅，所述石墨烯啁啾布拉格光栅将与其反射带宽相同的激光反射传输回所述波分复用器，以对所述第一激光器输出的激光进行循环传输，直至从所述耦合器的第二输出端稳定输出脉宽与所述反射带宽相同的激光，在循环传输过程中，所述可饱和吸收体筛选出与所述反射带宽相同的激光；所述石墨烯啁啾布拉格光栅是采用包层被腐蚀的啁啾布拉格光栅包裹上石墨烯制成。
2.根据权利要求1所述的基于光控石墨烯啁啾布拉格光栅的脉宽可调激光器，其特征在于，所述第二激光器用于通过改变输出激光的功率大小，来对所述石墨烯啁啾布拉格光栅的反射带宽进行光控调节，其中输出激光的功率越大，调节后的石墨烯啁啾布拉格光栅的反射带宽越宽。
3.根据权利要求1所述的基于光控石墨烯啁啾布拉格光栅的脉宽可调激光器，其特征在于，还包括设置在所述波分复用器与所述耦合器之间的掺饵光纤。
4.根据权利要求1或3所述的基于光控石墨烯啁啾布拉格光栅的脉宽可调激光器，其特征在于，还包括设置在所述波分复用器与所述耦合器之间的偏振控制器。
5.根据权利要求4所述的基于光控石墨烯啁啾布拉格光栅的脉宽可调激光器，其特征在于，还包括设置在所述波分复用器与所述耦合器之间的隔离器。
6.根据权利要求1所述的基于光控石墨烯啁啾布拉格光栅的脉宽可调激光器，其特征在于，所述石墨烯啁啾布拉格光栅中石墨烯所包裹的啁啾布拉格光栅的长度为3到6毫米。
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