基于石墨烯非线性效应同相与异相开关调制信号产生方法与流程

1.本发明涉及非线性领域，具体涉及一种基于石墨烯非线性效应的同相与异相开关调制信号产生方法。


背景技术：

2.随着社会经济和互联网技术的快速发展，人们对于信息的需求也日益增加，导致通信信息量呈指数级增长，人们对信息传输和处理速度的需求永无止境，需求决定技术飞跃。在现有的信息处理系统里，尽管信息是通过光信号在光缆中实现远距离大容量的传送，但是每个节点都要进行e-o-e转换，由于在光电信号的转换过程中，电光调制器和光电探测器由于调制和探测速率的受限，处理速度远低于传输速度，通俗地，我们将这一限制称之为“电子瓶颈”。因此人们提出了“全光通信”的概念，即信息的传输和交换全部在光域，避免e-o-e转换，绕开电子瓶颈，它还有高可靠、大容量和宽带宽等优点。
3.同相与异相调制开关，作为全光通信的重要部分，引起了研究者广泛的关注，从已经报道出来的实验我们不难发现，研究者们通过多种不同的材料，如铷原子蒸汽、cdse量子点、单光子等来实现同相与异相调制开关，但普遍具有成本高昂、制备困难或性能欠佳等缺点。石墨烯，一种典型的二维材料，零带隙的线性能带结构使得任意波长的光子都能被吸收，超强的载流子带间和超快的弛豫过程使得石墨烯具有极快的光调制速率。现有技术利用石墨烯的光热以及热光效应引起微光纤环形腔共振波长的变化来实现光的开关，但是因为结构复杂、制备难度大无法实现大规模应用；现有技术也有利用石墨烯光学双稳态效应来实现同相与异相调制开关，但是因为是将石墨烯嵌入到精细调制的谐振腔内部，需要过程极其的精细并且结构复杂。由此可见，现有同相与异相调制开关普遍存在结构复杂、制备困难、功能简单的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明基于上述现有技术问题，创新的提出一种全新的基于石墨烯非线性效应的同相与异相开关调制信号产生方法，在一个光路系统的前提下，可以通过调节泵浦功率来实现探测信号光的同相以及异相调制，达到空间双相同相与异相调制开关信号输出目的。
5.本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：一种基于石墨烯非线性效应的同相与异相开关调制信号产生方法，包括以下步骤：步骤一、搭建同相与异相开关调制光路，所述同相与异相开关调制光路包括第一激光器1、第一半波片2、第一偏振分光立方体3、斩波器4、第二偏振分光立方体5、第二半波片6、聚焦透镜7、第三偏振分光立方体8、石墨烯非线性光学单元9、第一反射镜10、第三半波片11、第二反射镜12、第四偏振分光立方体13、第四半波片18、第一光电探测器14、第二光电探测器15和第一示波器16；其中第一激光器1、第一半波片2、第一偏振分光立方体3、斩波器4、第二偏振分光立方体5、第二半波片6、聚焦透镜7、第三偏振分光立方体8、石墨烯非线性光学单元9和第四偏振分光立方体13依次位于同一直线光路上，其中第一反射镜10、第三半波
片11和第二反射镜12位于另一平行直线光路上，所述第一反射镜10设置于第一偏振分光立方体3的反射输出端，所述第四偏振分光立方体13设置于第二反射镜12的反射输出端；且其中由第一激光器1和第一半波片2组成激光输入单元，由第一偏振分光立方体3、斩波器4、第二偏振分光立方体5、第二半波片6、聚焦透镜7和第三偏振分光立方体8组成泵浦光路单元，用于产生沿第一方向传输的泵浦激光束；由第一偏振分光立方体3、第一反射镜10、第三半波片11、第二反射镜12和第四偏振分光立方体13组成探测光路单元，用于产生与第一方向反向共线传输的探测激光束；所述石墨烯非线性光学单元9位于所述第三偏振分光立方体8和第四偏振分光立方体13之间，所述探测激光束和泵浦激光束以共线反向传输的方式共同作用于所述石墨烯非线性光学单元9；由所述第四半波片18、第一光电探测器14、第二光电探测器15和第一示波器16组成输出测试单元，所述第一光电探测器14正对第二偏振分光立方体5的反射输出端设置，所述第二光电探测器15正对第三偏振分光立方体8的反射输出端设置，所述第一示波器16连接于所述第一光电探测器14和第二光电探测器15；步骤二、并启动第一激光器，从第一激光器输出的激光束经过第一半波片后入射至第一偏振分光立方体，经过第一偏振分光立方体的偏振分光作用，使得具有水平偏振态的激光束透过第一偏振分光立方体成为泵浦激光束，具有竖直偏振态的激光束被第一偏振分光立方体反射后成为探测激光束；步骤三、调校光路使得透过第一偏振分光立方体的泵浦激光束通过斩波器4、第二偏振分光立方体5、第二半波片6、聚焦透镜7、第三偏振分光立方体8后聚焦于石墨烯非线性光学单元9；使得被第一偏振分光立方体3反射的探测激光束经第一反射镜10反射后穿过第三半波片11，然后第二反射镜12反射至第四偏振分光立方体13，并经第四偏振分光立方体13反射后沿着与泵浦激光束共线反向的方向与泵浦激光束同时入射至石墨烯非线性光学单元9中；步骤四、将第四半波片18插入斩波器4和第二偏振分光立方体5之间，将第一光电探测器14设置于第二偏振分光立方体5的反射输出端，通过第一光电探测器14检测泵浦激光束强度；将第二光电探测器15设置于第三偏振分光立方体8的反射输出端，将第一光电探测器14和第二光电探测器15连接于第一示波器16，通过第二光电探测器15和第一示波器16检测探测激光束经非线性作用后输出信号的强度和波形；步骤五、将入射到石墨烯非线性光学单元9中的探测激光束的功率固定为小于1mw的某个数值，并逐步增加泵浦激光束的功率，并观察探测激光束经石墨烯非线性光学单元9非线性作用后输出的带有中心暗斑和同心圆环图样的衍射图案，以确定泵浦功率拐点值和最大泵浦功率值，其中泵浦功率拐点值为观察到衍射图案随时间发生变化时所对应的入射到石墨烯非线性光学单元9中的泵浦激光束的功率值，其中最大泵浦功率值为第二光电探测器15检测到探测激光束经非线性作用后输出的信号强度达到最小时对应的入射到石墨烯非线性光学单元9中的泵浦激光束的功率值；步骤六、通过调整得到泵浦激光束的泵浦功率拐点值和最大泵浦功率值后，拆除第四半波片18、第一光电探测器14、第二光电探测器15和第一示波器16；然后保持入射到石墨烯非线性光学单元9中的探测激光束的功率不变，开启斩波器4，并将入射到石墨烯非线性光学单元9中的泵浦激光束功率调节在泵浦功率拐点值，探测激光束经石墨烯非线性光学单元9的非线性作用产生同相开关调制信号，并经由第三偏振分光立方体8反射输出；
步骤七、继续保持入射到石墨烯非线性光学单元9中的探测激光束的功率不变，开启斩波器4，并将入射到石墨烯非线性光学单元9中的泵浦激光束功率调节在最大泵浦功率值，探测激光束经石墨烯非线性光学单元9的非线性作用产生异相开关调制信号，并经由第三偏振分光立方体8反射输出。
6.进一步的根据本发明所述的同相与异相开关调制信号产生方法，其中所述石墨烯非线性光学单元9为装有石墨烯乙醇分散液的比色皿，所述石墨烯乙醇分散液通过将石墨烯均匀分散在乙醇溶剂中获得，且石墨烯在乙醇溶剂中的分散浓度为10-20ug/ml，其中石墨烯的层数为1-30层，比色皿中石墨烯乙醇分散液的用量为1-10ml。
7.进一步的根据本发明所述的同相与异相开关调制信号产生方法，其中所述第一激光器为连续可调谐的环形钛宝石激光器，输出激光束为线偏振态的高斯激光束，输出激光波长调谐范围为780 nm-990 nm，并处于石墨烯非线性光学单元的吸收波长处，输出激光功率小于200mw，输出激光光束光斑半径小于1mm。
8.进一步的根据本发明所述的同相与异相开关调制信号产生方法，其中所述第一偏振分光立方体3、第二偏振分光立方体5、第三偏振分光立方体8和第四偏振分光立方体13透射具有水平偏振方向的激光束、并反射具有竖直偏振方向的激光束；入射到石墨烯非线性光学单元9中的泵浦激光束具有水平偏振态，入射到石墨烯非线性光学单元9中的探测激光束具有竖直偏振态；所述第一半波片2、第二半波片6和第三半波片11能够对偏振光的偏振方向进行旋转调节；通过第一半波片2和第一偏振分光立方体3调节泵浦激光束和探测激光束的分束比例，通过第二半波片6和第三偏振分光立方体8调节入射到石墨烯非线性光学单元9中的泵浦激光束的功率，通过第三半波片11和第四偏振分光立方体13调节入射到石墨烯非线性光学单元9中的探测激光束的功率。
9.进一步的根据本发明所述的同相与异相开关调制信号产生方法，其中所述探测光路单元中，由第一偏振分光立方体3、第一反射镜10、第三半波片11、第二反射镜12和第四偏振分光立方体13组成u型探测光路，其中所述第一反射镜10设置于第一偏振分光立方体3的反射输出端，并将第一偏振分光立方体3反射输出的探测激光束垂直反射至第二反射镜12，所述第二反射镜12将第一反射镜10反射的探测激光束垂直反射至第四偏振分光立方体13的光束入射端，所述第三半波片11设置于第一反射镜10和第二反射镜12之间。
10.进一步的根据本发明所述的同相与异相开关调制信号产生方法，其中所述泵浦光路单元中，由所述第一偏振分光立方体3、斩波器4、第二偏振分光立方体5、第二半波片6、聚焦透镜7和第三偏振分光立方体8组成直线泵浦光路，所述斩波器4设置于所述第一偏振分光立方体3和第二偏振分光立方体5之间，用于将连续泵浦激光转换为脉冲泵浦开关光，第二半波片6和聚焦透镜7设置于第二偏振分光立方体5和第三偏振分光立方体8之间，且聚焦透镜7位于第二半波片6的正后方，用于将泵浦激光束的腰斑聚焦于石墨烯非线性光学单元9的石墨烯乙醇分散液中。
11.通过本发明的技术方案至少能够达到以下技术效果：1）、本发明提出一种同相与异相开关调制信号产生方法，通过使用石墨烯与交叉相位调制来实现同相与异相调制开关信号，在一个光路系统的前提下，可以通过调节泵浦功率来实现信号光的同相以及异相调制。
12.2）、本发明充分利用了石墨烯的零带隙特定和极快光调制速率，同时通过装有石
墨烯乙醇分散液的比色皿将石墨烯嵌入到光路系统中，实现过程简单，进而使得本发明制得的同相与异相调制开关具有结构新颖、制备简单、功能丰富等独特优点。
13.3）、本发明首创的利用共线反向传输的泵浦光与探测光共同经过石墨烯乙醇分散液实现对探测光的同相以及异相调制，并可方便的将调制光引出光路系统，促进了同相与异相调制开关在全光通信中的应用，具有广阔的市场推广应用前景。
附图说明
14.附图1为本发明所述同相与异相开关调制信号产生方法基于的同相与异相开关调制光路的结构示意图。
15.图2(a)为石墨烯乙醇分散液中分散的石墨烯纳米片的tem图像；图2(b)为石墨烯乙醇分散液中分散的石墨烯纳米片的拉曼光谱图；图2(c)为不同浓度(20μg/ml和10μg/ml)石墨烯乙醇分散液的可见-红外宽带吸收光谱图；图3(a)为泵浦激光束功率在功率拐点之前，探测激光束衍射信号光的中心暗斑和同心圆环图样随时间变化图；图3(b)为泵浦激光束功率大于功率拐点后，探测激光束衍射信号光的中心暗斑和同心圆环图样随时间变化图；图4(a)为不同强度泵浦激光束功率下，探测激光束衍射信号光的中心暗斑和同心圆环图样的变化图；图4(b)为探测激光束衍射信号光的圆环半径(圆点线)和衍射信号强度(方块线)随泵浦激光功率的变化曲线图；图4(c)为不同强度泵浦激光束在石墨烯乙醇分散液中的作用过程示意图；图4(d)和(e)为高泵浦激光功率下探测激光束与石墨烯气泡的作用过程示意图；图5(a)为3mw泵浦光功率下同相开关调制信号图；图5(b)为20mw泵浦光功率下异相开关调制信号图；图中各附图标记的含义如下：1-第一激光器、2-第一半波片、3-第一偏振分光立方体、4-斩波器、5-第二偏振分光立方体、6-第二半波片、7-聚焦透镜、8-第三偏振分光立方体、9-石墨烯非线性光学单元、10
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第一反射镜、11-第三半波片、12-第二反射镜、13-第四偏振分光立方体、14-第一光电探测器、15-第二光电探测器、16-第一示波器、17-光线收集器、18-第四半波片。
具体实施方式
16.以下结合附图对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。
17.如附图1所示，本发明所述的同相与异相开关调制信号产生方法所基于的同相与异相开关调制光路整体包括：第一激光器1、第一半波片2、第一偏振分光立方体3、斩波器4、第二偏振分光立方体5、第二半波片6、聚焦透镜7、第三偏振分光立方体8、石墨烯非线性光学单元9、第一反射镜10、第三半波片11、第二反射镜12、第四偏振分光立方体13、第一光电探测器14、第二光电探测器15、第一示波器16、光线收集器17和第四半波片18。其中所述第
一激光器1、第一半波片2、第一偏振分光立方体3、斩波器4、第二偏振分光立方体5、第二半波片6、聚焦透镜7、第三偏振分光立方体8、石墨烯非线性光学单元9、第四偏振分光立方体13和光线收集器17依次设置于同一直线光路上，所述第一反射镜10、第三半波片11、第二反射镜12依次设置于另一平行直线光路上，且由所述第一激光器1和第一半波片2组成激光输入单元，由所述第一偏振分光立方体3、斩波器4、第二偏振分光立方体5、第二半波片6、聚焦透镜7和第三偏振分光立方体8组成泵浦光路单元，用于产生沿第一方向传输的泵浦激光束；由所述第一偏振分光立方体3、第一反射镜10、第三半波片11、第二反射镜12和第四偏振分光立方体13组成探测光路单元，用于产生与第一方向反向共线传输的探测激光束；由第四半波片18、第二偏振分光立方体5、第三偏振分光立方体8、第一光电探测器14、第二光电探测器15和第一示波器16组成输出测试单元。所述石墨烯非线性光学单元9处于泵浦光路单元产生的泵浦激光束和探测光路单元产生的探测激光束的共线反向光路上，泵浦激光束和探测激光束在其中发生基于交叉相位调制的非线性作用而产生同相及异相光开关调制信号，产生的光开关调制信号由第三偏振分光立方体8反射输出至输出测试单元。
18.具体的，其中所述激光输入单元的第一激光器1用于提供激光束输出，所述第一激光器输出的激光束为线偏振高斯激光束，可分为水平偏振态和竖直偏振态。优选的所述第一激光器1为连续可调谐的环形钛宝石激光器，输出波长调谐范围为780 nm-990 nm，优选波长固定在780nm，功率小于200mw，光束光斑半径小于1mm，优选的为0.7 mm。所述第一激光器产生的激光束的波长处于石墨烯非线性光学单元的吸收波长处。所述第一激光器产生的泵浦激光束和产生的探测激光束均为高斯光束。
19.所述激光输入单元的第一半波片2设置于第一激光器1的输出光路上。半波片属于本领域熟知的光学元件，可以对偏振光进行旋转。因为线偏振光垂直入射到半波片，透射光仍为线偏振光，假如入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为θ，则透射出来的线偏振光的振动面从原来的方位转过2θ角。本发明中通过旋转半波片来改变偏振分光立方体透射和反射的光束比例，如下所述，偏振分光立方体透射一种偏振态（如水平偏振态）的光束，反射另一种偏振态（如竖直偏振态）的光束，通过旋转半波片能够改变入射到偏振分光立方体上的线偏振光的偏振方向，进而改变该入射线偏振光经偏振分光立方体分出的两束偏振光的分束比例。通过第一半波片2调节第一激光器输出的线偏振光的偏振方向，进而能够对该线偏振光经第一偏振分光立方体分出的水平偏振泵浦激光束和竖直偏振探测激光束的分束功率比例进行调节，达到同时改变泵浦激光束和探测激光束强度的目的。
20.所述激光输入单元分别与所述泵浦光路单元和探测光路单元耦合产生共线反向传输的泵浦激光束和探测激光束，并入射至石墨烯非线性光学单元9中，具体的所述第一偏振分光立方体3、斩波器4、第二偏振分光立方体5、第二半波片6、聚焦透镜7和第三偏振分光立方体8依次设置于同一直线光路上并组成泵浦光路单元，用于产生沿第一方向传输的泵浦激光束；所述第一偏振分光立方体3、第一反射镜10、第三半波片11、第二反射镜12和第四偏振分光立方体13依次设置于同一u形光路上并组成探测光路单元，用于产生与第一方向反向共线传输的探测激光束。
21.首先给出泵浦光路单元中的各光学元件的光学特性和光路设置位置。所述第一偏振分光立方体3设置于第一半波片2的正后方，其光学特性为：基于光束偏振态的不同进行光束分光，具体的所述第一偏振分光立方体3透射水平偏振方向的光束，并反射竖直偏振方
向的光束，通过第一偏振分光立方体3将第一激光器1输出激光束中的水平偏振分量以偏振分光方式耦合到泵浦光路单元中，将第一激光器输出激光束中的竖直偏振分量以偏振分光方式耦合到探测光路单元中，具体的第一激光器1输出激光束入射到第一偏振分光立方体3后，透过第一偏振分光立方体3的激光束具有水平偏振态，该水平偏振态激光束作为泵浦激光束；第一激光器1输出激光束入射到第一偏振分光立方体3后被第一偏振分光立方体3垂直反射的激光束具有竖直偏振态，该竖直偏振态激光束作为探测激光束。
22.所述斩波器4设置于第一偏振分光立方体3的正后方光路上，斩波器属于本领域熟知的光学元件，其在一定转速下，能够将连续光调制(斩断)成一定频率的周期性断续光，且遮断时间等于透光时间，本发明光路中通过斩波器4将连续的激光束转换为间断的脉冲开关激光（“方波”激光），同相与异相调制开关就是为了实现泵浦开关光对连续探测光的调制，加斩波器就是为了将连续泵浦光变为开关光，当斩波器不工作时不会对光束产生任何作用。
23.所述第二偏振分光立方体5设置于斩波器4和第四半波片18的正后方，其光学特性为：基于光束偏振态的不同进行光束分光，具体的所述第二偏振分光立方体5透射水平偏振方向的光束，并反射竖直偏振方向的光束，通过斩波器4的水平偏振态的泵浦激光束透过第二偏振分光立方体5后继续传输。另外在调试阶段，通过第四半波片的作用，使得泵浦激光束的线偏振方向偏离水平方向，进而使得泵浦激光束可部分被第二偏振分光立方体5以垂直反射的方式分光输出至第一光电探测器14，实现调试阶段对泵浦激光束的测量。
24.第二半波片6设置于第二偏振分光立方体5的透射输出光路上，基于半波片的光学特性，通过旋转第二半波片能够调整第二偏振分光立方体透射输出的泵浦激光束的线偏振方向，使其偏振方向偏离水平方向，进而使得该泵浦激光束经第三偏振分光立方体8再次分出的水平偏振方向的光束强度（功率）得到调节（减小），因此通过旋转调节第二半波片并结合第三偏振分光立方体能够单独对泵浦激光束的功率进行调节。
25.所述聚焦透镜7设置于第二半波片6的正后方，用于将泵浦激光束聚焦至石墨烯非线性光学单元8中,优选的所述聚焦透镜7的焦距为150mm。
26.所述第三偏振分光立方体8设置于聚焦透镜7的正后方，其光学特性为：基于光束偏振态的不同进行光束分光，具体的所述第三偏振分光立方体8透射水平偏振方向的光束，并反射竖直偏振方向的光束，通过聚焦透镜7的水平偏振态泵浦激光束透过所述第三偏振分光立方体8后聚焦于石墨烯非线性光学单元9中。同时所述第三偏振分光立方体8将反向传输的具有竖直偏振态的探测激光束反射输出至输出测试单元。
27.所述探测光路单元中的各光学元件的光学特性和光路设置位置如下：其中所述第一偏振分光立方体3如上所述，能够将来自第一激光器1的具有水平偏振态的激光束透射输出至泵浦光路单元中，并能够将来自第一激光器1的具有竖直偏振态的激光束向上垂直反射到第一反射镜10。
28.所述第一反射镜10为直角反射镜，设置于第一偏振分光立方体3的反射分光输出端的正后方，并对第一偏振分光立方体3输出的具有竖直偏振态的探测激光束提供90
°
的反射。
29.所述第二反射镜12为直角反射镜，所述第二反射镜12的反射面与第一反射镜10的反射面相互垂直，来自第一反射镜10的反射光束入射至第二反射镜12的反射面，并经第二
反射镜12的反射面垂直反射（90
°
反射）至第四偏振分光立方体13。
30.所述第三半波片11设置于第一反射镜10和第二反射镜12之间，基于半波片的光学特性，通过旋转第三半波片能够调整第一反射镜10和第二反射镜12之间的探测激光束的线偏振方向，使其偏振方向偏离竖直方向，进而使得该探测激光束经第四偏振分光立方体13再次分出的竖直偏振方向的光束强度（功率）得到调节（减小），因此通过旋转第三半波片并结合第四偏振分光立方体能够单独对探测激光束的功率进行调节。
31.所述第四偏振分光立方体13的光束输入端正对第二反射镜12的反射输出端，且所述第四偏振分光立方体13的反射输出端正对所述第三偏振分光立方体8的透射输出端，并与第三偏振分光立方体8位于同一直线光路上。所述第四偏振分光立方体13的光学特性为基于光束偏振态的不同进行光束分光，具体的所述第四偏振分光立方体13透射具有水平偏振方向的光束，并反射具有竖直偏振方向的光束。所述第四偏振分光立方体13在光路中的作用是将第二反射镜12反射输出的具有竖直偏振态的探测激光束向着第三偏振分光立方体8的透射输出端反射输出，从而经由第四偏振分光立方体13反射输出的具有竖直偏振态的探测激光束与第三偏振分光立方体8透射输出的具有水平偏振态的泵浦激光束实现了共线反向传输；同时所述第三偏振分光立方体8对具有竖直偏振态的探测激光束提供垂直反射输出。
32.其中所述石墨烯非线性光学单元9设置于所述第三偏振分光立方体8和第四偏振分光立方体13之间的直线光路上，所述石墨烯非线性光学单元9优选的采用装有石墨烯乙醇分散液的比色皿。沿正向传输的泵浦激光束和沿反向传输的探测激光束在比色皿中发生光学非线性作用。本发明中将泵浦激光束和探测激光束反向共线传输是为了能够有效的将泵浦光和探测光分开，方便采集图像。在本领域空间交叉相位调制和气泡导致的散射都会将一束高斯光调制为空心光。本发明中基于克尔效应，当泵浦激光束作用于石墨烯乙醇分散液时将会改变石墨烯乙醇分散溶液的折射率分布，这时探测激光束在经过被泵浦激光束改变折射率分布的石墨烯乙醇分散液介质后会产生横向非线性相移，且进一步地携带了非线性相移的探测激光束会在远场形成衍射圆环。此外石墨烯吸收泵浦激光束后温度升高，使得周围溶剂汽化而产生气泡，探测激光束在这些气泡上发生散射也会产生空心圆环光。这种非线性作用过程后面将结合附图进行详细说明。
33.所述输出测试单元由第四半波片18、第二偏振分光立方体5、第三偏振分光立方体8、第一光电探测器14、第二光电探测器15和第一示波器16组成，其中所述第二偏振分光立方体5的特性如上所述，第四半波片18在光路调试阶段插入斩波器4与第二偏振分光立方体5之间，该第四半波片同其他半波片一样，通过旋转第四半波片能够使泵浦激光束的线偏振方向偏离水平方向旋转，进而使得泵浦激光束可部分被第二偏振分光立方体5以垂直反射的方式分光输出至第一光电探测器14，所述第一光电探测器14设置于第二偏振分光立方体5的光束反射输出端，用于实时接收反射输出的泵浦激光束，并能够实时感测泵浦激光束的功率，以达到同步检测泵浦光和探测光的目的，并确定两者间是否有时间延迟；所述第三偏振分光立方体8的特性如上所述，通过第三偏振分光立方体8将信号光束垂直反射输出至第二光电探测器15，所述第二光电探测器15设置于第三偏振分光立方体8的光束反射输出端，用于实时接收反射输出的信号光束，并能够测试信号光束的光斑图样以及同相和异相信号。所述第一示波器16连接于所述第一光电探测器14和第二光电探测器15，用于得到实时
精确的波形变化。所述第二光电探测器15可为cmos相机或ccd相机。
34.进一步为收集剩余泵浦激光束，在第四偏振分光立方体13的透射输出端设置有所述光线收集器17。
35.下面进一步给出本发明所述的同相与异相开关调制信号产生方法的过程。
36.首先给出本发明创新引入光学系统中的石墨烯非线性光学单元9的制备过程，所述石墨烯非线性光学单元9采用装有石墨烯乙醇分散液的比色皿，所述比色皿设置于第三偏振分光立方体8和第四偏振分光立方体13之间的直线光路上，从而沿正向传输的泵浦激光束和沿反向传输的探测激光束在比色皿中发生光学非线性作用。所述的石墨烯乙醇分散液通过将少层石墨烯均匀分散在乙醇中获得，其中石墨烯在乙醇中的分散浓度为10-20ug/ml，石墨烯的层数优选的处于1-30层，但并不以此为限。制备石墨烯乙醇分散液时，先将100-200 μg石墨烯粉末添加到10 ml乙醇中配置10-20 μg/ ml浓度的乙醇石墨烯溶液，然后超声破碎2小时，形成本发明所述石墨烯乙醇分散液。然后将配置的石墨烯乙醇分散液装于比色皿中并插入光路系统，实现了石墨烯作为非线性光学材料在交叉相位调制光路中同相与异相调制开关功能的应用，比色皿中石墨烯乙醇分散液的用量为1-10ml，优选的为4-6ml，进一步优选的为4ml。进一步的通过使用透射电子显微镜（tem，jeol 2100）观察了分散的石墨烯的状态，以此来说明应用于本发明的石墨烯层数特征及其光谱特征。图2(a)显示了分散在乙醇中石墨烯纳米片的tem图像，可见分散的石墨烯纳米片为少层石墨烯，边缘有些滚动折叠的石墨烯层。石墨烯纳米片的厚度统计表明，乙醇分散体中少层石墨烯的数量分数（少层数量/观察到的纳米片总数）接近80％，这意味着石墨烯乙醇分散液分散着高质量少层石墨烯。图2(b) 所示为石墨烯纳米片的拉曼光谱，其中有三个很明显的特征峰，分别为1349 cm
–
1（d峰）, 1570 cm-1（g峰）,和2670 cm-1（2d峰）。石墨烯层的d峰的出现说明有缺陷的存在，是纳米片边缘褶皱引起的缺陷。石墨层中sp2杂化碳原子在平面振动模式下由e2g引起的拉曼特征峰称为g峰。g峰与2d峰的相对强度比约为2.2，说明rgo纳米片是少层或者多层石墨烯。此外，我们还测量了不同浓度（20μg/ ml和10μg/ ml）石墨烯分散液的可见-红外宽带吸收光谱，从图2（c）可以看出，石墨烯在400至900 nm范围内表现出平坦的吸收，在20 μg/ ml和10 μg/ ml的浓度下，其吸收系数分别为42.3％和25.6％，可以计算出在20 μg/ ml和10μg/ ml的浓度下有效石墨烯层数分别为23.6层和12.7层。
37.下面给出同相与异相开关调制信号产生方法的具体步骤：步骤一、按照附图1所示光路结构连接各光学元件，并进行光路校准，完成光路系统的搭建和调校。
38.步骤二、启动第一激光器，从第一激光器输出的激光束经过第一半波片后入射至第一偏振分光立方体3，经过第一偏振分光立方体3的偏振分光作用，使得具有水平偏振态的激光束透过第一偏振分光立方体3成为泵浦激光束，具有竖直偏振态的激光束被第一偏振分光立方体3反射后成为探测激光束；步骤三、其中透过第一偏振分光立方体3的泵浦激光束依次通过斩波器4、第二偏振分光立方体5、第二半波片6、聚焦透镜7、第三偏振分光立方体8后聚焦于装有石墨烯乙醇分散液的比色皿中，其中经所述聚焦透镜7聚焦的泵浦激光束在石墨烯乙醇分散液中形成为腰斑大小50μm的高斯光束，此时先保持斩波器处于不工作状态；步骤四、其中被第一偏振分光立方体3反射的探测激光束经第一反射镜10反射后穿过
第三半波片11，然后入射到第二反射镜12，经第二反射镜12再次反射至第四偏振分光立方体13，并经第四偏振分光立方体13垂直反射后沿着与泵浦激光束共线反向的方向与泵浦激光束同时入射至装有石墨烯乙醇分散液的比色皿中，在所述比色皿中发生非线性光学作用后从所述比色皿出射形成信号光束，并经所述第三偏振分光立方体8反射后输出。
39.步骤五、将所述输出测试单元接入光路系统中，具体的将第四半波片18插入斩波器4和第二偏振分光立方体5之间，将第一光电探测器14设置于第二偏振分光立方体5的反射输出端，将第二光电探测器15设置于第三偏振分光立方体8的反射输出端，将第一光电探测器14和第二光电探测器15连接于第一示波器16。
40.步骤六、调整泵浦激光束的功率，以得到泵浦激光束的功率拐点和最大泵浦功率，具体的通过第一光电探测器14测得入射到石墨烯非线性光学单元9中的泵浦激光束的功率强度变化，从0mw开始逐渐增大泵浦激光束功率，泵浦激光束的功率调整可通过旋转第一半波片2和第二半波片6实现，优选的入射到石墨烯非线性光学单元9的泵浦激光束的功率可从0变化到20mw，同时通过第一半波片2和第三半波片11将入射到石墨烯非线性光学单元9中的探测激光束的功率固定为小于1mw的某个数值，优选的固定功率处于0.3-0.5mw，更优选的为0.3mw。然后逐步增加入射到石墨烯非线性光学单元9的泵浦激光束的功率，直到第二光电探测器15上出现明显的中心暗斑和同心圆环图样。第二光电探测器15探测的中心暗斑和同心圆环图样是基于石墨烯非线性光学单元9中石墨烯的非线性光学效应（克尔效应和可饱和吸收性）和气泡散射效应产生的。当将一定功率的泵浦激光束照射到石墨烯乙醇分散液上时，该强度的泵浦激光将会使石墨烯乙醇分散液的折射率分布发生变化，在此情况下反向入射到同一石墨烯乙醇分散液的探测激光束便会基于克尔效应和可饱和吸收性效应发生非线性横向相移，经非线性横向相移后的探测激光束便会在远场中发生光学衍射，并产生带有中心暗斑和同心圆环图样的衍射图案，下面将结合具体实验给出更为详细的解释。
41.步骤七、当第二光电探测器15测得中心暗斑和同心圆环图样后，保持泵浦激光束功率不 变，观察中心暗斑和同心圆环图样是否发生变化，因为在泵浦激光束的功率达到功率拐点之 前，中心暗斑和同心圆环图样几乎不会随时间变化，如附3(a)所示，时间“0s”表示打 开泵浦激光束的时间，可以看出，一旦泵浦光束打开，探测光的环形图案就会出现，并且该 图案在低泵浦激光功率下随时间几乎保持恒定。若经观察探测光衍射形成的中心暗斑和同心 圆环图样基本不发生变化，则继续增大入射到石墨烯非线性光学单元9的泵浦激光束的功率， 然后继续在保持增大后的泵浦激光束功率下，观察中心暗斑和同心圆环图样是否发生变化， 若基本不随时间变化则继续增大泵浦功率，直至在某一泵浦激光功率下，观察到探测激光衍 射形成的中心暗斑和同心圆环图样随时间发生变化，此时对应的入射到石墨烯非线性光学单 元9的泵浦激光束的功率为功率拐点，亦可如附图3(b)所示，当检测到探测激光衍射信号 光强达到最大值时，此时所对应的入射到石墨烯非线性光学单元9的泵浦激光束的功率值即 为泵浦功率拐点值。经测试应用于本发明10-20μg/ml浓度的乙醇石墨烯溶液的泵浦激光 束的功率为功率拐点为3mw。进一步的经测试如附图4(b)所示，当入射到石墨烯非线性光 学单元9的泵浦激光束的功率的在0至功率拐点为3mw之间增加时，探测激光束经非线性作 用后输出的信号光束的强度也逐渐增大，当入射到石墨烯非线性光学单元9的泵浦激光束的 功率的大于功率拐点3mw时，随着泵浦激光功率的增加探测
激光束经非线性作用后输出的信 号光束的强度却逐渐减小，直至信号光束的强度减小至最小值，此时对应的入射到石墨烯非 线性光学单元9的泵浦激光束的功率为20mw，此即最大泵浦功率。之所以发生这种变化是因 为在较低的泵浦功率下，探测激光衍射形成的恒定环形图样是基于kerr效应引起的sxpm的 结果，因为它响应速度很快，几乎没有观察到时间延迟，所以会保持图样恒定，而且泵浦功 率越大kerr效应越强，探测激光衍射形成信号产生强度也就越强。当泵浦功率大于功率拐点 时，将强的泵浦功率使得石墨烯乙醇分散液中的石墨烯纳米片将大量吸收泵浦光，如图4(c) 所示，在石墨烯纳米片周围逐渐产生微气泡，微气泡将使得探测光束会在气泡上发生散射， 并形成变化的环形图案，如图4(d)所示。随着热量累积在石墨烯纳米片上，气泡变大，并 且环形图案的半径相应增加。由于气泡的密度低于溶剂，气泡将向上移动，气泡的边界变得 不对称，如图4(e)所示的形状，探测光束在这种气泡上的散射将导致环形图案的不对称， 使得随着时间的推移环形图样出现变化，此时泵浦功率继续增加，散射效应会增强，多数探 测激光通过散射损耗，衍射信号光强降低，出现图4(b)的情况。经过大量实验结果表明， 当泵浦功率较低时，sxpm占主导地位，当泵浦功率高时，气泡散射起着主要作用。
42.步骤八、通过调整得到泵浦激光束的功率拐点和最大泵浦功率后，将输出测试光路拆除，具体的去除第四半波片18、第一光电探测器14，信号光束继续由第三偏振分光立方体8的反射输出端输出，并由第二光电探测器15探测开关信号。
43.步骤九、保持入射到石墨烯非线性光学单元9比色皿中的探测激光束的功率在0.3mw，打开斩波器4，控制入射到石墨烯非线性光学单元9比色皿中的泵浦激光束功率处于步骤七确定的功率拐点3mw处，此时输出空间同相开关调制信号。具体的通过斩波器4，将连续的泵浦激光调制为功率在0mw和3 mw间歇变化的脉冲信号，通过进行强度归一处理如附图5（a）所示，结合附图4（b），当泵浦激光功率为0mw时，对应的探测信号强度约0.45，当泵浦激光功率为3mw时，对应的探测信号强度约1.1，两者同向变化，经过归一化处理后得到如附图5（a）所示探测激光束非线性作用开关信号输出probe，该信号的变化规律与泵浦激光功率相同，为同相开关调制信号。
44.步骤十、保持入射到石墨烯非线性光学单元9比色皿中的探测激光束的功率在0.3mw，打开斩波器4，控制入射到石墨烯非线性光学单元9比色皿中的泵浦激光束功率处于步骤七确定的最大泵浦功率20mw处，此时输出空间异相开关调制信号。具体的通过斩波器4，将连续的泵浦激光调制为功率在0mw和20 mw间歇变化的脉冲信号，如附图5（b）所示，结合附图4（b），当泵浦激光功率为0mw时，对应的探测信号强度约0.45，当泵浦激光功率为20mw时，对应的探测信号强度约0.1，两者异相变化，经过归一化处理后得到如附图5（b）所示探测激光束非线性作用开关信号输出probe，该信号的变化规律与泵浦激光功率相反，为异相开关调制信号。经第二光电探测器探测结果符合图4中获得的规律。
45.另外从图5（a）-（b）可以看出，探测信号光的上升沿和下降沿比泵浦光慢，这很可能是由于热效应引起的。在石墨烯分散系统中，热效应来自两个方面。一个是激光辐照后石墨烯的自由电子的热效应和晶格的振动效应，其数量级为微秒。另一热效应是由与石墨烯和溶剂的热导率有关的扩散引起的，通常为数毫秒至数秒。在我们的实验中，探测光的上升沿和下降沿的时间弛豫约为毫秒，因此主要是由扩散引起的热效应引起的。
46.本发明基于石墨烯的非线性光学效应（克尔效应和可饱和吸收性）和气泡散射效
应，首次通过设置泵浦激光束的功率实现了同相和异相的同相与异相调制开关。sxpm和气泡引起的散射都可以将高斯光束转换为空心光束。根据光克尔效应，当将泵浦光束照射到石墨烯分散体时，石墨烯分散液的折射率取决于n = n
0 n2i(泵浦光强)，与激光强度有关。因此，当探测光穿过同一样品时，会发生非线性横向相移。而带有非线性相移的探测光将在远场中衍射，并产生衍射环图案。在气泡散射效应中，石墨烯吸收泵浦光，温度升高，导致周围的溶剂蒸发并因此形成气泡。探测光束会散射在这些气泡上，并且散射光形成空心光束，并发生散射损耗。基于上述原理本发明在一个光路系统的前提下，首次通过调节泵浦功率同时实现了探测信号光的同相以及异相调制。另外本发明采用的样品石墨烯有宽的工作带宽（405nm-900nm）使得本发明所述装置具有广阔的应用前景。同时本发明所述装置结构简单、操作方便、设计合理、成本低且易于推广。
47.以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。