可饱和吸收体制作方法、可饱和吸收体和激光器与流程

1.本发明涉及激光技术领域，尤其涉及可饱和吸收体制作方法、可饱和吸收体和激光器。


背景技术：

2.激光是人类最伟大的发明之一，其具有相干性好、能量密度高和稳定性强等优点，已经成为科学研究和工业生产中最重要的工具之一。
3.随着技术的发展，光纤激光器能够产生峰值功率高、脉宽宽度窄、光谱宽的超短脉冲。尤其是高重复频率超短脉冲光纤激光已广泛应用于光频梳、光通信、激光测距、高速光取样、非线性光学生物成像等领域，是激光技术发展的前言方向和研究热点。
4.目前，获得高重频脉冲的方法主要有以下三种：主动锁模、超短腔锁模和被动谐波锁模。其中，主动锁模需要高频信号发生器或其它谐振腔外附加设备，增加了系统成本和结构复杂性；超短腔锁模虽然也可以获得高重频脉冲，但是受限于腔体的物理长度，很难进一步提高重复率。相比之下，被动谐波锁模被认为是更简单有效的产生高重频脉冲方法之一。
5.另一方面，被动谐波锁模是光纤激光器中产生超短脉冲的主要技术之一。这种技术是在激光谐振腔中加入可饱和吸收体，利用其非线性吸收特性实现超短脉冲。因此，被动锁模技术的核心是寻找稳定可靠的可饱和吸收体。
6.目前，被动锁模激光器中常用的可饱和吸收体主要有等效的可饱和吸收体和真实的可饱和吸收体两种。其中等效的可饱和吸收体主要包括非线性偏振旋转和非线性放大环形镜，目前真实的商业化可饱和吸收体主要是半导体可饱和吸收镜。然而，非线性偏振旋转锁模器件对偏振的依赖性非常高，特别容易受到光纤弯曲、外界温度、应力和振动等外界因素的影响，具有较差的稳定性；非线性放大环形镜器件锁模阈值较高，难以自启动；半导体可饱和吸收镜锁模器件制作工艺复杂，成本较高、工作波长范围窄。因此，非常有必要继续寻找稳定可靠的可饱和吸收体材料，探索其在高重频被动锁模光纤激光器方面的应用潜力。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种可饱和吸收体制作方法、可饱和吸收体和激光器，旨在解决现有技术中，可饱和吸收体材料在稳定可靠性上不足的问题。
8.第一方面，本发明实施例提供了一种可饱和吸收体制作方法，包括：
9.合成tio2；
10.根据所述tio2制作由au修饰的tin；
11.取所述tin和异丙醇混合并依次进行超声波处理和离心处理，得到离心液；
12.取出所述离心液并制备成tin异丙醇分散液；
13.通过拉锥设备将单模光纤制备成微纳光纤；
14.将所述tin异丙醇分散液滴在所述微纳光纤的束腰区，并于所述微纳光纤的一端
通入连续激光，制得由tin沉积于所述微纳光纤上的可饱和吸收体。
15.第二方面，本发明实施例提供了一种可饱和吸收体，通过上述可饱和吸收体制作方法制作出来。
16.第三方面，本发明实施例提供了一种高重频锁模激光器，包括所述的可饱和吸收体，所述可饱和吸收体接于所述激光器中，还包括通过光纤熔接的方式依次连接的泵浦源、光纤波分复用器、增益光纤、光纤耦合器、光纤隔离器、偏振控制器和单模光纤，所述可饱和吸收体连接所述单模光纤和所述光纤波分复用器，所述光纤波分复用器、增益光纤、光纤耦合器、光纤隔离器、偏振控制器、单模光纤和可饱和吸收体组成闭环腔激光器。
17.本发明实施例通过制作出可饱和吸收体，结构简单、稳定性好且成本较低，可应用在谐波锁模光纤激光器中，获得稳定高重频超短脉冲；
18.基于tin的高重频锁模光纤激光器结构简单、操作方便、稳定可靠，不仅可以产生稳定的基频脉冲，而且能够实现高重频的超短脉冲输出。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例提供的可饱和吸收体制作方法的流程示意图；
21.图2为本发明可饱和吸收体的的非线性光学吸收曲线；
22.图3为本发明提供的全光纤激光器的结构示意图；
23.图4为本发明提供的高重频锁模激光器的基频脉冲光谱图；
24.图5为本发明提供的高重频锁模激光器的基频脉冲时序图；
25.图6为本发明提供的高重频锁模激光器的基频脉冲射频图；
26.图7为本发明提供的高重频锁模激光器的基频脉冲自相关图；
27.图8为本发明提供的高重频锁模激光器的高重频脉冲时序图；
28.图9为本发明提供的高重频锁模激光器的高重频脉冲光谱图；
29.图10为本发明提供的高重频锁模激光器中谐波阶数和输出功率随泵浦功率的变化曲线。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
32.还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上
下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
33.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
34.请参阅图1，一种可饱和吸收体制作方法，包括：
35.s101，合成tio2；
36.s102，根据所述tio2制作由au修饰的tin；
37.s103，取所述tin和异丙醇混合并依次进行超声波处理和离心处理，得到离心液；
38.s104，取出所述离心液并制备成tin异丙醇分散液；
39.s105，通过拉锥设备将单模光纤制备成微纳光纤；
40.s106，将所述tin异丙醇分散液滴在所述微纳光纤的束腰区，并于所述微纳光纤的一端通入连续激光，制得由tin沉积于所述微纳光纤上的可饱和吸收体；
41.在本实施例中，制作出来的可饱和吸收体结构简单、稳定性好且成本较低，可应用在谐波锁模光纤激光器中，获得稳定高重频超短脉冲。
42.在一实施例中，所述合成tio2，包括：
43.取0.1-5g钛酸四丁酯和0.36-18g聚醚溶解于3-150ml乙醇中，得到第一乙醇溶液；
44.取0.1-5ml盐酸和0.05-2.5ml硝酸加入所述第一乙醇溶液中，得到第二乙醇溶液；
45.对所述第二乙醇溶液搅拌24-72小时后在50-80℃的恒温下烘干，得到tio2预制物；
46.将所述tio2预制物放置在流速为10-80ml/min的压缩空气流环境下，以1-10℃/min的升温速度逐渐升温至300-500℃，并保持3-5小时，以析出tio2。
47.在本实施例中，各成分的质量比并没有进行具体的限制，可根据实际需要进行配置。
48.一种优选的实施例中，各成分按上述提到的范围比例进行配置，例如以1g钛酸四丁酯和3.6g聚醚溶解于30ml乙醇中为比例原形，可调节为5g钛酸四丁酯和18g聚醚溶解于150ml乙醇中，其他类似，具体可根据实际进行配置。
49.优选的，对所述第二乙醇溶液搅拌48小时。
50.优选的，以1-10℃/min的升温速度逐渐升温至400℃，并保持4小时。
51.在一实施例中，所述根据所述tio2制作由au修饰的tin，包括：
52.取1-5g所述tio2加入20-100ml水中，得到第一溶解液；
53.取0.01-0.05g含有au的前体盐加入所述第一溶解液中，得到第二溶解液；
54.取0.01-0.1g氢氧化钠与0.002-0.02g硼氢化钠加入所述第二溶解液，得到第三溶解液；
55.在充分反应后进行透析处理，得到预制粉末；
56.将上述预制粉末放置在流速为30-100ml/min的氨气流环境下，以1-10℃/min的升温速度逐渐升温至700-1000℃，并保持5-8小时；
57.在所述氨气流环境下冷却至150-250℃之后，将所述预制粉末放置在流速为10-60ml/min的氮气流环境，在所述氮气流环境冷却至室温，并维持3-5小时；
58.将所述预制粉末放置在流速为10-30ml/min的压缩空气流环境，得到au修饰过的tin。
59.在本实施例中，各成分的质量比并没有进行具体的限制，可根据实际需要进行配置。
60.一种优选的实施例中，各成分按上述提到的范围比例进行配置，例如以1g所述tio2加入20ml水中，得到第一溶解液，可调节为3g所述tio2加入60ml水中，得到第一溶解液，其他类似，具体可根据实际进行配置。
61.优选的，在所述氨气流环境下冷却至200℃之后，将所述预制粉末放置在流速为10-60ml/min的氮气流环境，在所述氮气流环境冷却至室温，并维持4小时。
62.具体的，au的修饰是为了增加tin材料的光学非线性特性。
63.在一实施例中，所述根据所述tio2制作由au修饰的tin，包括：
64.取1-5g所述tio2加入20-100ml二氯甲烷中，得到第一溶解液；
65.取0.01-0.05g含有au的有机配合物加入所述第一溶解液中，得到第二溶解液；
66.取0.01-0.1g氢氧化钠与0.002-0.02g硼氢化钠加入所述第二溶解液，得到第三溶解液；
67.在充分反应后进行透析处理，得到预制粉末；
68.将上述预制粉末放置在流速为30-100ml/min的氨气流环境下，以1-10℃/min的升温速度逐渐升温至700-1000℃，并保持5-8小时；
69.在所述氨气流环境下冷却至150-250℃之后，将所述预制粉末放置在流速为10-60ml/min的氮气流环境，在所述氮气流环境冷却至室温，并维持3-5小时；
70.将所述预制粉末放置在流速为10-30ml/min的压缩空气流环境，得到au修饰过的tin。
71.在本实施例中，与上一实施例的不同仅在于将水溶液更换为二氯甲烷，同时将含有au的前体盐更换为含有au的有机配合物。
72.在一实施例中，所述含有au的前体盐为氯金酸或氯金酸钾盐。
73.在本实施例中，给出了两种含有au的前体盐，具体的，不止只有氯金酸和氯金酸钾盐，其他含有au的前体盐均可。
74.在一实施例中，所述含有au的有机配合物为乙酰丙酮金或三苯基膦氯金。
75.在本实施例中，给出了两种含有au的有机配合物，具体的，不止只有乙酰丙酮金和三苯基膦氯金，其他含有au的有机配合物均可。
76.在一实施例中，所述取所述tin和异丙醇混合并依次进行超声波处理和离心处理，得到离心液，取出所述离心液并制备成tin异丙醇分散液，通过拉锥设备将单模光纤制备成微纳光纤，将所述tin异丙醇分散液滴在所述微纳光纤的束腰区，并于所述微纳光纤的一端通入连续激光，制得由所述tin沉积于所述微纳光纤上的可饱和吸收体，包括：
77.取au修饰过的若干所述tin加入异丙醇中，并对得到的溶液依次进行超声和离心处理；
78.将离心得到的分散液取出，制备成0.1mg/ml-1mg/ml的tin异丙醇分散液；
79.通过拉锥设备将单模光纤制备成束腰直径为10-20μm的微纳光纤，所述微纳光纤在通信波段的插入损耗小于或等于0.5db；
80.将所述tin异丙醇分散液滴在所述微纳光纤的束腰区；
81.所述微纳光纤的一端通入连续激光，在光泳力作用下，所述tin沉积到微纳光纤束
腰表面，获得了tin沉积微纳光纤的可饱和吸收体，所述可饱和吸收体在通信波段的插入损耗小于或等于6db。
82.在本实施例中，所述微纳光纤的束腰区插入损耗控制小于或等于0.5db，所述微纳光纤亦可更换成侧边抛磨结构的光纤；tin异丙醇分散液的浓度需要控制在0.1mg/ml-1mg/ml。
83.超声为在超声波仪器中处理，离心为在离心机中处理。
84.优选的，制备的tin异丙醇分散液浓度为0.5mg/ml，微纳光纤的束腰直径为10μm，将0.5mg/ml的tin异丙醇分散液滴在上述微纳光纤的束腰区，同时一端通入100mw的连续激光。
85.一种可饱和吸收体，通过可饱和吸收体制作方法制作出来。
86.在本实施例中，利用上述的可饱和吸收体制作方法可制作出来对应的可饱和吸收体。
87.如图2所示，进一步研究tin沉积微纳光纤的可饱和吸收体的特性，首先用z-扫描技术测量了tin材料在通信波段的非线性光学吸收特性；可以看出调制深度约为33％，这说明tin材料表现出优良的可饱和吸收特性，可以用于制作光纤激光器的锁模器件。
88.请参阅图3，一种高重频锁模激光器，包括所述可饱和吸收体，所述可饱和吸收体接于所述激光器中，还包括通过光纤熔接的方式依次连接的泵浦源1、光纤波分复用器2、增益光纤3、光纤耦合器4、光纤隔离器5、偏振控制器6和单模光纤7，所述可饱和吸收体8连接所述单模光纤7和所述光纤波分复用器2，所述光纤波分复用器2、增益光纤3、光纤耦合器4、光纤隔离器5、偏振控制器6、单模光纤7和可饱和吸收体8组成闭环腔激光器。
89.在本实施例中，光纤熔接损耗小于或等于0.5db；
90.其中，所述泵浦源1为半导体激光器，其输出波长为980nm，输出功率为0-600mw；
91.其中，所述光纤波分复用器2为980/1550型的光纤器件，插入损耗小于0.2db，可以承受1w的泵浦功率和300mw的信号功率。
92.其中，所述增益光纤3为单模掺铒光纤，根据吸收系数和色散值的不同，可以选择不同的长度。
93.其中，所述的光纤耦合器4有多种选择，可以是20∶80、30∶70、10∶90、40∶60光纤耦合比中的任意一种。
94.其中，所述光纤隔离器5为光纤偏振无关隔离器，保证腔内激光的单向传输，最大隔离度小于或等于30db，插入损耗小于0.5db，可以承受的最大功率为300mw。
95.其中，所述偏振控制器6是三环式结构的偏振控制器，也可以是挤压式结构的偏振控制器。
96.其中，所述单模光纤7增加腔内的非线性特性，使激光器更容易产生超短脉冲，长度5-30m。
97.其中，所述可饱和吸收体8在光纤激光器中具有非线性光学吸收的作用，可以作为锁模器件使得激光器产生超短脉冲输出。
98.在一实施例中，所述泵浦源1的输出端与所述光纤波分复用器2的泵浦端a连接，所述光纤波分复用器2的输出端b和所述增益光纤3的一端连接；所述增益光纤3的另一端与所述光纤耦合器4的输入端连接，所述光纤耦合器4的第一输出端d作为所述激光器的输出，所
述光纤耦合器4的第二输出端e与所述光纤隔离器5的输入端连接，所述光纤隔离器5的输出端和所述偏振控制器6的输入端连接，所述偏振控制器6的输出端和所述单模光纤7的输入端连接，所述单模光纤7的输出端和所述可饱和吸收体8的输入端连接，所述可饱和吸收体8的输出端与所述光纤波分复用器2的信号端c连接。
99.优选的，所述增益光纤3是单模掺铒光纤，为美国ofs的edf80光纤，长度可选为1.2m，在1550nm的色散系数为-48ps/(nm
·
km)；
100.优选的，所述光纤耦合器4为30∶70的耦合比，其中30％为输出端；
101.优选的，所述单模光纤7是常用的通信波段单模光纤，为标准的g652型光纤，长度为20m；
102.优选的，整个激光器的腔长约为32.5m。
103.以下通过实验数据对本发明进行可行性验证：
104.当泵浦功率为几十mw时，光纤激光器即可输出连续激光。随着继续增加泵浦功率，锁模脉冲开始出现。
105.当泵浦功率增加至60mw时，通过适当调节偏振控制器改变腔偏振状态，就可以获得稳定的基频锁模脉冲；请参阅图4，展示了此泵浦功率下基频脉冲的光谱；很明显，光谱上有一些清晰的边带。
106.锁模脉冲的中心波长为1558.49nm，3db光谱带宽为1.96nm；请参阅图5，从图中可以看出相邻脉冲间隔约为162.4ns，由此可以计算出重复频率为6.156mhz，即基频。
107.请参阅图6，锁模脉冲的重复频率为6.156mhz，这与光纤激光器的腔长32.5m和测得的脉冲时序周期162.4ns是一致的，信噪比(snr)约为65.8db，表明该锁模脉冲状态具有很好的稳定性。
108.请参阅图7，基频脉冲的半高全高(fwhm)约为2.25ps，通过双曲正割(sech2)公式拟合，可以得到脉冲的宽度约为1.46ps。通过计算，得出此时脉冲的时间带宽积(tbp)大约为0.353，这比双曲正割脉冲的变换极限0.315大一些，说明输出的锁模脉冲存在一定的啁啾。
109.随着继续增加泵浦功率，同时适当地调节偏振控制器的角度，基频锁模脉冲转变为谐波锁模脉冲，请参阅图8，相邻脉冲的间隔约是0.99ns，对应计算得出的重频频率约为1.01ghz；由基频重复率为6.156mhz可以得出，1.01ghz的锁模脉冲对应于164阶谐波锁模，请参阅图9，锁模脉冲中心波长为1558.28nm，3db光谱带宽为2.28nm。
110.请参阅图10，为了更好地展示该谐波锁模光纤激光器的性能，测量了不同泵浦功率下的谐波阶数和平均输出功率。
111.请参阅图10，从图中可以很清晰地看到随着泵浦功率的增加，谐波阶数和输出功率基本上都是随泵浦功率线性增加。当泵浦功率从100mw升高到580mw的过程中，谐波锁模阶数由22增加到164，平均输出功率由3.69mw增长到29.04mw。
112.这些研究结果符合谐波锁模光纤激光器的典型特征。
113.基于上述可饱和吸收体的高重频锁模光纤激光器，不仅可以获得稳定的基频脉冲，还能够实现高达1ghz重复频率的超短脉冲。
114.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替
换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。