本發(fā)明涉及激光技術領域，具體涉及一種通過準直器切換波長的鎖模光纖激光器系統(tǒng)以及波長切換方法。

背景技術：

光纖激光器具有體積小、重量輕、轉換效率高、輸出激光光束質量好等優(yōu)點，因此近年來得到迅猛發(fā)展。特別是鎖模光纖激光器由于能夠超短脈沖激光，在探測診斷、生物醫(yī)藥、精密微加工和軍事等眾多領域有著廣闊的前景。鎖模技術主要可分為主動鎖模、被動鎖模、自鎖模和混合鎖模技術。其中被動鎖模技術由于不需要外界附加調制源，易于實現全光纖化的優(yōu)勢，成為研究的熱點，有著重要的實際應用意義。

被動鎖模光纖激光技術的基本原理是結合諧振腔中光纖的色散、激光的非線性效應、光纖對激光的增益與損耗四者之間的平衡，并且經過被動鎖模元件對激光強度或相位的非線性吸收作用實現激光的相位鎖定，從而獲得超短脈沖激光輸出。通常實現被動鎖模的光纖激光技術有半導體可飽和吸收鏡(SESAM)、碳納米管(SWNT)等技術，但是這兩種技術都存在不足。SESAM制作工藝復雜、生產成本高、可飽和吸收光譜范圍相對較窄。SWNT因對激光波長有選擇性而不能普適。最近，石墨烯(Graphene)材料被發(fā)現可用作新型的可飽和吸收體，可用于光纖激光器鎖模。石墨烯是由單層碳原子精密堆積成的二維蜂窩狀晶格結構的一種碳質新材料。作為飽和吸收體，石墨烯具有很寬的波長工作范圍，并且制作簡單，工藝多樣化，可以利用物理機械剝離和化學沉積等方法實現。

全保偏鎖模光纖激光器是可以實現線偏振超短脈沖激光輸出的激光系統(tǒng)，激光腔內的增益光纖和傳輸光纖是由折射率橫向異性的光纖組成，例如熊貓光纖等。相對于普通鎖模光纖激光器，全保偏鎖模光纖激光器的光纖雙折射特征因不易受到周圍環(huán)境溫度及力矩的影響，輸出的鎖模激光更加穩(wěn)定。并且，輸出的線偏振激光在許多領域有更好的應用價值，例如精細微加工、科學研究等領域。

技術實現要素：

區(qū)別于以上NPR技術實現雙波長鎖模激光輸出，本發(fā)明直接通過調節(jié)保偏光纖輸出的近似線偏振激光的方位角分別在中心波長1532nm和1558nm處實現激光鎖模輸出。本發(fā)明提供了一種雙波長調節(jié)更為方便，并可實現高消光比線偏振激光輸出的超短脈沖光纖激光系統(tǒng)。通過準直器切換波長的鎖模光纖激光器系統(tǒng)以及波長切換方法

本發(fā)明的技術解決方案是：通過一種通過石墨烯反射鏡切換波長的鎖模光纖激光器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括依次連接的泵浦源、波分復用光纖耦合器、摻鉺增益光纖、隔離器、第一光纖準直器、透射窗口、石墨烯可飽和吸收體、第二光纖準直器、輸出耦合器和旋轉架，其中所述石墨烯可飽和吸收體貼附于透射窗口表面，固定有第二光纖準直器的旋轉架沿垂直于激光入射的方向旋轉一定角度；從泵浦源出來的泵浦光通過波分復用光纖耦合器的泵浦端進入摻鉺增益光纖，產生的信號光經過隔離器逆時針振蕩放大進入第一光纖準直器生成準直光后，入射到透射窗口上，經過石墨烯可飽和吸收體的吸收后，入射到第二光纖準直器，通過固定有第二光纖準直器的旋轉架的旋轉，可微調從所述第二光纖準直器出射的近似線偏振光的偏振方位角，經過調節(jié)的出射光出射進入耦合器，分出一定比例的功率的激光輸出。

優(yōu)選地，所述波分復用光纖耦合器中的信號傳輸光纖包括保偏光纖。

優(yōu)選地，所述泵浦源包括激光器和尾纖為單模光纖。

優(yōu)選地，所述輸出耦合器是輸出比例30:70的保偏光纖耦合器。

優(yōu)選地，所述旋轉架設置成可以沿垂直于激光入射的方向旋轉±30度之間。

優(yōu)選地，所述透射窗口是對近紅外波段光透射率大于90％的玻璃平片。

優(yōu)選地，所述透射窗口和石墨烯可飽和吸收體放置在第一光纖準直器和第二光纖準直器，其間的間隔分別在0.1-2毫米之間。

優(yōu)選地，所述石墨烯可飽和吸收體的層厚度是100nm-10um之間

優(yōu)選地，所述石墨烯可飽和吸收體的層厚度是800nm-1um之間。

優(yōu)選地，所述金屬反射鏡是反射率大于90％的鍍金或鍍銀反射鏡。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明采用保偏光纖作為鎖模光纖激光器的環(huán)形諧振腔，實現高消光比的線偏振激光輸出。

2、本發(fā)明通過直接調節(jié)光纖準直器，改變入射激光偏振態(tài)的方位角，實現兩個中心波長激光鎖模輸出，結構簡單，操作便利。

3、本發(fā)明采用多層石墨烯飽和吸收體作為鎖模器件，降低了制作成本和工藝難度，易于實現產業(yè)化。

應當理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應當用作對本發(fā)明所要求保護內容的限制。

附圖說明

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

圖1為本發(fā)明的通過準直器切換波長可調節(jié)的兩個中心波長鎖模的脈沖光纖激光系統(tǒng)石墨烯被動鎖模光纖激光器的結構圖。

圖2為熊貓保偏光纖橫向截面結構圖。

圖3為分辨率為0.02nm的光譜儀測量輸出的鎖模激光光譜圖。

圖4為帶寬1GHz的示波器測量輸出的鎖模激光脈沖時域圖。

具體實施方式

參見圖1，本發(fā)明提供了一種通過準直器切換波長可調節(jié)的兩個中心波長鎖模的脈沖光纖激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)100包括依次連接的泵浦源1、波分復用光纖耦合器2、摻鉺增益光纖3、隔離器4、第一光纖準直器5、透射窗口6、石墨烯可飽和吸收體7、第二光纖準直器8、輸出耦合器9和旋轉架10。其中石墨烯可飽和吸收體7貼附于透射窗口6表面。

其中，從泵浦源1出來的泵浦光通過波分復用光纖耦合器2的泵浦端進入長度為1m的摻鉺增益光纖3，產生的C+L波段的信號光經過隔離器4逆時針振蕩放大。隔離器4對順時針方向的信號光完全隔離，這種設計優(yōu)點是可以完全濾除信號光中剩余的泵浦光。隔離后的光進入第一光纖準直器5生成準直光后，入射到透射窗口6上，經過石墨烯可飽和吸收體7的吸收后，入射到第二光纖準直器8。通過固定有第二光纖準直器8的旋轉架10的旋轉，可微調從第二光纖準直器8出射的近似線偏振光的偏振方位角。經過調節(jié)的出射光出射進入耦合器。最后，鎖模放大的激光經過輸出耦合器9分出一定比例的功率的激光輸出。

通過精密三維平移臺來控制旋轉架10的旋轉，從而實現激光高耦合效率進入光纖準直器8。通過旋轉架10可微調從準直器8出射的近似線偏振光偏振方位角，相當于改變下面公式(1)中的θ角，同時也改變了光纖快軸和慢軸分量和相位延遲，實現調節(jié)不同波長處激光的增益與損耗。最終可實現在中心波長1532nm和1558nm處分別實現激光鎖模輸出最后。圖2為熊貓保偏光纖橫向截面結構圖。

在上面公式中，T代表傳輸系數，θ代表起偏角，代表檢偏角，Δφ_PC、Δφ_LB和Δφ_NL分別代表偏振控制器、光纖雙折射和非線性效應引起的位相延遲，L和B_m分別代表激光腔長和光纖歸一化雙折射率。其中，光纖雙折射引發(fā)的位相延遲隨波長成反比例變化，可以實現濾波功能。

優(yōu)選地，所述泵浦源1包括激光器和尾纖為單模光纖；

所述摻鉺增益光纖是對泵浦光高吸收比的高濃度保偏摻鉺光纖。

優(yōu)選地，所述輸出耦合器是輸出比例30:70的保偏光纖耦合器，即鎖模放大的激光經過輸出耦合器7分出30％的功率的激光輸出。

旋轉架10設置成可以沿著圖1所示的方向，即沿著垂直于激光入射的方向旋轉一定角度，如圖1所示的角度A，例如±30度之間。

所述透射窗口6是對近紅外波段光透射率大于90％的玻璃平片。

優(yōu)選地，波分復用光纖耦合器中的信號傳輸光纖包括保偏光纖。

根據本發(fā)明，摻鉺增益光纖3的芯徑由所采用的有源光纖決定，包層芯徑優(yōu)選為125μm，光纖纖芯的芯徑可以選用4μm、8μm或10μm，優(yōu)選為10/125μm。根據本發(fā)明具體實施例，光纖的類型應與泵浦源1的泵浦波長相匹配。

摻鉺光纖所匹配的泵浦波長可采用980nm或1480nm，根據波長和芯徑參數進一步確定波分復用光纖耦合器2的參數。最終出射的激光波長在有源光纖一定增益范圍內(如1530-1560nm)由布拉格光纖光柵的反射波長確定。摻鉺光纖的典型出射波長為1064nm。

例如，在本實施例中，若選用芯徑為10/125μm摻鉺光纖作為增益介質。泵浦源1輸出波長976nm，可在該范圍內獲得激光輸出。實驗中若選用芯徑為10/125μm摻鉺光纖作為增益介質，泵浦源1的尾纖需選取同樣型號芯徑。泵浦源1為915nm單模輸出，可在該范圍內獲得激光輸出。

如圖1所示，通過精密三維平移臺來控制旋轉架10的旋轉，從而實現激光高耦合效率進入光纖準直器8。通過旋轉架10可微調從準直器8出射的近似線偏振光偏振方位角。

透射窗口6和石墨烯可飽和吸收體7放置在第一光纖準直器5和第二光纖準直器8，其間的間隔分別例如間隔在0.1-2毫米之間，盡量增加反射的信號光的耦合輸入。

所述石墨烯飽和吸收體7可通過機械剝離及化學合成等方法制備出單層石墨烯膜，然后通過濕法轉移或干法轉移等貼附在金屬鏡面，可通過層層疊加方法，制備出5-10層石墨烯飽和吸收體。石墨烯可飽和吸收體6的層厚度例如是100nm-10um之間，優(yōu)選在800nm-1um之間。

所述金屬反射鏡是反射率大于90％的鍍金或鍍銀反射鏡。

通過旋轉架10可微調從準直器8出射的近似線偏振光偏振方位角，可改變入射光偏振態(tài)方位角和正交偏振態(tài)的相位延遲，如公式(2)所示的旋轉架10反射的偏振光方位角和正交偏振態(tài)的相位延遲與入射光的偏振態(tài)關系。

tanα_r＝Pe^-iΔφtanα_i (2)

在上式中，α_r和α_i分別表示反射和入射線偏振態(tài)激光的方位角，P代表反射系數，Δφ代表快慢軸的相位延遲。所以，通過精密調節(jié)旋轉架10的反射角度，可改變反射光的偏振態(tài)方位角及正交偏振分量的相位延遲，進而，根據公式(1)，實現調節(jié)不同波長激光的增益與損耗。最終可分別在中心波長1532nm和1558nm處實現激光鎖模輸出。

圖3為分辨率為0.02nm的光譜儀測量輸出的鎖模激光光譜圖。圖4為帶寬1GHz的示波器測量輸出的鎖模激光脈沖時域圖。

根據本發(fā)明的摻鉺光纖激光器可以旋轉架10可微調透射經過石墨烯飽和吸收體層到準直器8出射的角度，從而可改變入射光偏振態(tài)方位角和正交偏振態(tài)的相位延遲，可以實現1532nm和1558nm兩個中心波長鎖模，從而可以改變對應波長的激光透射率和增益與損耗，實現不同波長激光放大同時鎖模。

通過本發(fā)明采用保偏光纖作為鎖模光纖激光器的環(huán)形諧振腔，實現高消光比的線偏振激光輸出；改變入射激光偏振態(tài)的方位角，實現兩個中心波長激光鎖模輸出，結構簡單，操作便利；本發(fā)明采用多層石墨烯飽和吸收體作為鎖模器件，降低了制作成本和工藝難度，易于實現產業(yè)化。

結合這里披露的本發(fā)明的說明和實踐，本發(fā)明的其他實施例對于本領域技術人員都是易于想到和理解的。說明和實施例僅被認為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權利要求所限定。