阅读说明：本技术 一种可饱和吸收体锁模方法以及可饱和吸收体锁模器件 (Mode locking method for saturable absorber and mode locking device for saturable absorber ) 是由 赵卫 王屹山 王虎山 张伟 胡晓鸿 张挺 赵凤艳 周凯明 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种可饱和吸收体锁模方法以及可饱和吸收体锁模器件,利用一对大角度倾斜光纤光栅实现光和可饱和吸收材料的相互作用,弥补了现有可饱和吸收体锁模器件存在的缺陷,实现高性能可饱和吸收体锁模器件,对于超快光纤激光技术的发展具有推动作用。本发明基于大角度倾斜光纤光栅的可饱和吸收体锁模器件,包括沿光传输方向依次连接的第一个大角度倾斜光纤光栅和第二个大角度倾斜光纤光栅,所述第一个大角度倾斜光纤光栅和第二个大角度倾斜光纤光栅连接区域的光纤包层上沉积或涂覆可饱和吸收材料,其中,第一个大角度倾斜光纤光栅和第二个大角度倾斜光纤光栅的倾斜角度为66～89度。(The invention provides a mode locking method of a saturable absorber and a mode locking device of the saturable absorber, which utilize a pair of large-angle inclined fiber gratings to realize the interaction of light and a saturable absorption material, make up the defects of the existing mode locking device of the saturable absorber, realize the mode locking device of the high-performance saturable absorber and have a promoting effect on the development of an ultrafast fiber laser technology. The saturable absorber mode locking device based on the large-angle inclined fiber grating comprises a first large-angle inclined fiber grating and a second large-angle inclined fiber grating which are sequentially connected along the light transmission direction, saturable absorption materials are deposited or coated on fiber cladding layers of a connection region of the first large-angle inclined fiber grating and the second large-angle inclined fiber grating, and the inclination angles of the first large-angle inclined fiber grating and the second large-angle inclined fiber grating are 66-89 degrees.)

一种可饱和吸收体锁模方法以及可饱和吸收体锁模器件

技术领域

本发明涉及光纤器件和光纤激光器领域，具体涉及一种可饱和吸收体锁模方法以及可饱和吸收体锁模器件，该器件是一种利用大角度倾斜光纤光栅模式耦合特性的可饱和吸收体锁模器件，可提升传统锁模器件的性能，并可应用于超短脉冲光纤激光器。

背景技术

光纤激光以高光束质量、高效率、高集成、高可靠性等独特技术优势成为激光技术领域的重要发展方向。其中，超短脉冲光纤激光器具有脉冲宽度窄、重复频率高、峰值功率高、光谱范围宽等显著特征，在精密加工、医学、高速成像、强场物理、精密测量、光纤传感等领域具有广泛的应用和巨大的市场价值。

锁模技术是实现超短脉冲输出的最高效简洁方式，其中被动锁模技术结构简单、体积小、成本低、兼容性好、转换效率高、可自启动，成为最为常用的超短脉冲产生技术。被动锁模技术主要包括非线性偏振旋转锁模、非线性光纤环形镜锁模以及可饱和吸收体锁模。非线性偏振旋转锁模和非线性光纤环形镜锁模易受环境温度、应力等影响，具有较差的环境稳定性。因此，可饱和吸收体锁模技术是目前实现超短脉冲光纤激光的主要技术。

可饱和吸收体是一种透射率与光强相关的器件，其锁模原理为：当将饱和吸收体放置在激光腔中，低强度的激光会被衰减，然而由于未锁模激光的强度具有随机变化，随机产生的光强会足够大从而能够透射出饱和吸收体。由于光在激光腔中振荡，这个过程不停地重复，使得高强度的激光被放大，而低强度的光被吸收。振荡很多次以后，就会产生一系列的光脉冲，而激光也被锁模。

近年，碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、过渡金属硫化物、过渡金属氧化物、黑磷等多种纳米材料具有超快的弛豫时间、宽吸收谱线、成本低等特点被用作可饱和吸收材料以实现可饱和吸收体锁模器件。目前，为实现这种可饱和吸收体器件，采用的结构设计方案主要有两种：第一种，可饱和吸收材料被制作成薄膜状，放置于两个光纤跳线连接器之间或光纤端面和反射镜之间，这种结构设计存在以下问题：破坏了全光纤结构；易导致材料的机械损伤；激光直接作用于可饱和吸收材料且作用面积小，降低了热损伤阈值，难以实现高质量锁模脉冲且器件易损坏。第二种，利用可饱和吸收材料和倏逝场之间的侧面相互作用以产生激光器内的损耗调制实现锁模，这种方案可以承受更高的光功率，有利于产生高能量、高功率锁模光纤激光。

目前，第二种方案中所采用的可饱和吸收材料载体主要是微纳光纤和拉锥光纤，这两类光纤都存在相应的问题。可饱和吸收体器件中采用的微纳光纤主要包括D型光纤和侧面抛光光纤，这类光纤制作需要复杂的工艺和昂贵的设备、同光纤激光器中普通单模光纤的熔接困难且损耗一般较大、通过倏逝场和材料作用的光的比例难以精确控制和调控。对于拉锥光纤，拉锥处光纤的芯径很细容易损坏，不利于实际的应用。

发明内容

本发明提供了一种可饱和吸收体锁模方法以及可饱和吸收体锁模器件，利用一对大角度倾斜光纤光栅实现光和可饱和吸收材料的相互作用，弥补了现有可饱和吸收体锁模器件存在的缺陷，实现高性能可饱和吸收体锁模器件，对于超快光纤激光技术的发展具有推动作用。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种可饱和吸收体锁模方法，光纤纤芯中传输的光，经过第一个大角度倾斜光纤光栅时，被耦合至光纤的包层中传输；再经过包层倏逝场和沉积或涂覆在包层表面的可饱和吸收材料的相互作用，产生可饱和吸收效应；再经过第二个大角度倾斜光纤光栅时，被耦合回光纤纤芯中继续传输；其中，第一个大角度倾斜光纤光栅和第二个大角度倾斜光纤光栅的倾斜角度为66～89度。

同时，本发明提供一种基于大角度倾斜光纤光栅的可饱和吸收体锁模器件，包括沿光传输方向依次连接的第一个大角度倾斜光纤光栅和第二个大角度倾斜光纤光栅，所述第一个大角度倾斜光纤光栅和第二个大角度倾斜光纤光栅连接区域的光纤包层上沉积或涂覆可饱和吸收材料，其中，第一个大角度倾斜光纤光栅和第二个大角度倾斜光纤光栅的倾斜角度为66～89度。

进一步地，所述第一个大角度倾斜光纤光栅和第二个大角度倾斜光纤光栅的倾斜方向沿光纤轴向相同或相反。

进一步地，所述第一个大角度倾斜光纤光栅和第二个大角度倾斜光纤光栅的倾斜角和/或光栅周期相同。

进一步地，所述第一个大角度倾斜光纤光栅和第二个大角度倾斜光纤光栅以及两个光栅之间的光纤上未沉积或涂覆可饱和吸收材料的光纤包层上涂覆低折胶，以防止包层的光泄漏到光纤外面，造成额外损耗。

进一步地，所述第一个大角度倾斜光纤光栅和第二个大角度倾斜光纤光栅制作在同一根光纤上，或者分别制作之后再进行光纤熔接。

进一步地，制作第一个大角度倾斜光纤光栅和第二个大角度倾斜光纤光栅的光纤为普通单模光纤、少量模光纤或多模光纤；所述可饱和吸收材料为碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、过渡金属硫化物、过渡金属氧化物或黑磷。

此外，本发明还提供了一种超短脉冲光纤激光器，包括上述基于大角度倾斜光纤光栅的可饱和吸收体锁模器件，所述基于大角度倾斜光纤光栅的可饱和吸收体锁模器件熔接在光纤激光器腔内，实现光纤激光器锁模。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明采用大角度倾斜光纤光栅实现光和可饱和吸收材料的相互作用，替代传统的D型光纤、拉锥光纤等方案，实现高性能可饱和吸收体锁模器件：可使得可饱和吸收体锁模器件具有以下特点：（a）可饱和吸收材料可以沉积或涂覆在光纤包层上，相比于传统方案，光纤包层表面积更大，传输光可以和可饱和吸收材料充分作用；（b）大角度倾斜光纤光栅的耦合效率可以通过偏振控制器在一定范围内调谐，因此可以控制光与可饱和吸收材料的作用程度，达到激光器腔内光与可饱吸收材料相互作用和损耗的平衡，更容易实现激光器锁模；（c）大角度倾斜光纤光栅不破坏光纤的物理结构，锁模器件具有更高的稳定性；（d）锁模器件可直接基于单模光纤制作，没有光纤熔接问题，***损耗低；（e）大角度倾斜光纤光栅具有滤波作用，可以抑制激光器腔内的模式竞争有助于实现激光的锁模，且可以控制输出脉冲的波长范围；（f）大角度倾斜光纤光栅的制作相对简单、成本较低，可实现可饱和吸收体锁模器件的批量制作。

2.本发明采用两个大角度倾斜光纤光栅以实现可饱和吸收体锁模器件，使得可饱和吸收体锁模器件具有以下特点：（a）可分别设计并优化两个大角度倾斜光纤光栅，实现不同的耦合效率，进而更易优化锁模器件的参数；（b）单个大角度倾斜光纤光栅一般长度较短，在单个光纤光栅上沉积可饱和吸收材料的锁模器件方案中，沉积可饱和吸收材料的长度会受到限制，通过采用一对大角度倾斜光纤光栅分别实现纤芯至包层以及包层至纤芯的光耦合，并在两个大角度倾斜光纤光栅之间的普通光纤包层上沉积或涂覆可饱和吸收材料，可以实现较大的沉积或涂覆长度，进而提高光和可饱和吸收材料的作用程度；（c）通过设计两个大角度倾斜光纤光栅具有不同的耦合波长和带宽，可以实现窄光谱超短脉冲激光输出，满足更多激光器应用需求。

附图说明

图1为本发明基于大角度倾斜光纤光栅的可饱和吸收体锁模器件示意图（光栅倾角方向相同）；

图2为本发明基于大角度倾斜光纤光栅的可饱和吸收体锁模器件示意图（光栅倾角方向不同）。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

本发明提供了一种利用一对大角度倾斜光纤光栅实现可饱和吸收体锁模器件的方案，可有效提高可饱和吸收体器件的多项性能，进而实现稳定的超短脉冲锁模光纤激光器，推动超快光纤激光技术的发展。

如图1所示，基于大角度倾斜光纤光栅的可饱和吸收体锁模器件包括沿光传输方向依次连接的第一个大角度倾斜光纤光栅和第二个大角度倾斜光纤光栅，第一个大角度倾斜光纤光栅和第二个大角度倾斜光纤光栅连接区域的光纤包层上沉积或涂覆可饱和吸收材料，此时，根据实际需求，可在全部连接区域上沉积或涂覆可饱和吸收材料，或者也可在部分连接区域上沉积或涂覆可饱和吸收材料。其工作原理是：由于大角度倾斜光纤光栅的模式耦合作用，光纤纤芯中传输的光在经过第一个大角度倾斜光纤光栅时被耦合至光纤的包层中传输，在包层中传输的光通过包层倏逝场和沉积或涂覆在包层表面的可饱和吸收材料的相互作用，起到可饱和吸收效应，作用后的光经过第二个大角度倾斜光纤光栅从光纤包层耦合回光纤纤芯中继续传输。

本发明可饱和吸收体锁模器件中采用的大角度倾斜光纤光栅不同于普通的光纤光栅，在纤芯具有倾斜的周期性结构，为实现传输光在前向纤芯至前向包层及前向包层至前向纤芯的耦合，倾斜角度一般大于66度，具体可为66～89度，具体的倾斜角度和光栅周期根据所需超短脉冲光纤激光器的波长和带宽决定。

本发明可饱和吸收体锁模器件中两个大角度倾斜光纤光栅可制作在同一根光纤上，或者分别制作之后再进行光纤熔接。两个大角度倾斜光纤光栅的倾斜方向可以沿光纤轴向相同（如图1）或相反（如图2），均可以实现可饱和吸收体锁模器件。两个大角度倾斜光纤光栅可具有相同的倾斜角、光栅周期等参数，使得两个大角度倾斜光纤光栅具有相同或近似的耦合波长及带宽，以实现最大的器件响应带宽和传输效率。两个大角度倾斜光纤光栅也可具有不同的参数，即具有不同的耦合波长及带宽，通过两个大角度倾斜光纤光栅响应波长和带宽的错位，实现滤波效果，进而可以实现窄光谱超短脉冲激光输出，满足更多激光器应用需求。

本发明可饱和吸收体锁模器件中，制作大角度倾斜光纤光栅采用的光纤可选择普通单模光纤、少量模光纤或多模光纤，根据光纤激光器的需求决定。

本发明可饱和吸收体锁模器件中，第一个大角度倾斜光纤光栅和第二个大角度倾斜光纤光栅连接处的光纤去掉涂覆层后在其包层表面沉积或涂覆可饱和吸收材料。相比传统的基于拉锥或D型光纤的可饱和吸收体结构，包层的表面积更大，传输光和沉积或涂覆在包层表面的可饱和吸收材料作用更充分。另外涂覆或沉积的光纤长度可以较长且灵活易调节，可以进一步提升可饱和吸收体器件的性能。

本发明可饱和吸收体锁模器件中，若采用的大角度倾斜光纤光栅以及两个光栅之间的光纤有涂覆层，且涂覆层为高折胶，则两个大角度倾斜光纤光栅以及两个光栅之间的光纤上未沉积或涂覆可饱和吸收材料的光纤包层仍需去掉涂覆层或去掉涂覆层后涂覆低折胶，以防止包层的光泄漏到光纤外面，造成额外损耗。若采用的大角度倾斜光纤光栅以及两个光栅之间的光纤无涂覆层，则直接在未沉积或涂覆可饱和吸收材料的光纤区域的包层上涂覆低折胶。

本发明中，可饱和吸收体锁模器件为全光纤结构，可以将器件两端的光纤熔接在光纤激光器腔内，实现光纤激光器锁模。超短脉冲光纤激光器可采用线性腔或环形腔。另外，在激光器中可以配合偏振控制器一起使用，更容易实现激光器锁模。

本发明采用大角度倾斜光纤光栅实现光和可饱和吸收材料的相互作用，替代传统的D型光纤、拉锥光纤等方案，实现高性能可饱和吸收体锁模器件。可使得可饱和吸收体锁模器件具有以下特点：（a）可饱和吸收材料可以沉积或涂覆在光纤包层上，相比于传统方案，光纤包层表面积更大，传输光可以和可饱和吸收材料充分作用；（b）大角度倾斜光纤光栅的耦合效率可以通过偏振控制器在一定范围内调谐，因此可以控制光与可饱和吸收材料的作用程度，达到激光器腔内光与可饱吸收材料相互作用和损耗的平衡，更容易实现激光器锁模；（c）大角度倾斜光纤光栅不破坏光纤的物理结构，锁模器件具有更高的稳定性；（d）锁模器件可直接基于单模光纤制作，没有光纤熔接问题，***损耗低；（e）大角度倾斜光纤光栅具有滤波作用，可以抑制激光器腔内的模式竞争有助于实现激光的锁模，且可以控制输出脉冲的波长范围；（f）大角度倾斜光纤光栅的制作相对简单、成本较低，可实现可饱和吸收体锁模器件的批量制作。

本发明采用两个大角度倾斜光纤光栅以实现可饱和吸收体锁模器件，使得可饱和吸收体锁模器件具有以下特点：（a）可分别设计并优化两个大角度倾斜光纤光栅，实现不同的耦合效率，进而更易优化锁模器件的参数；（b）单个大角度倾斜光纤光栅一般长度较短，在单个光纤光栅上沉积可饱和吸收材料的锁模器件方案中，沉积可饱和吸收材料的长度会受到限制，通过采用一对大角度倾斜光纤光栅分别实现纤芯至包层以及包层至纤芯的光耦合，并在两个大角度倾斜光纤光栅之间的普通光纤包层上沉积或涂覆可饱和吸收材料，可以实现较大的沉积或涂覆长度，进而提高光和可饱和吸收材料的作用程度；（c）通过设计两个大角度倾斜光纤光栅具有不同的耦合波长和带宽，可以实现窄光谱超短脉冲激光输出，满足更多激光器应用需求。