一种基于石墨烯沟道结构的光纤微球腔锁模激光器制造技术

本发明专利技术属于信息与科学技术领域，具体涉及一种基于石墨烯沟道结构的光纤微球腔锁模激光器，包括表面掺铒微球、多层石墨烯和微纳光纤。本发明专利技术通过在表面掺铒微球设置两金电极，将多层石墨烯贴附于球体上的两金电极之间，以构成金‑石墨烯‑金的异质结构；将微纳光纤与制备表面掺铒微球的光纤相垂直的贴附于表面掺铒微球两金电极间的球面中线处，实现与表面掺铒微球的微球腔光耦合。本发明专利技术实现了锁模激光器兼顾结构简单、成本低廉、大范围可调和稳定性的多种特点；其单纵模线宽1kHz，阈值为20微瓦；输出激光的重频从100GHz到1THz大范围可调。

A Mode-locked Fiber Microsphere Cavity Laser Based on Graphene Channel Structure

The invention belongs to the field of information and science and technology, in particular to a mode-locked fiber microsphere cavity laser based on graphene channel structure, including erbium-doped surface microspheres, multi-layer graphene and micro-nano optical fibers. The invention attaches multi-layer graphene to the two gold electrodes on the sphere by setting two gold electrodes on the surface of erbium-doped microspheres to form a heterostructure of gold-graphene-gold, and vertically attaches micro-nano optical fibers to the middle line of the sphere between the two gold electrodes of erbium-doped microspheres to realize optical coupling with the micro-sphere cavity of erbium-doped microspheres on the surface. The mode-locked laser has the advantages of simple structure, low cost, wide range adjustability and stability, single longitudinal mode linewidth of 1 kHz, threshold of 20 microwatts, and repetition frequency of output laser can be adjusted from 100 GHz to 1 THz in a wide range.

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯沟道结构的光纤微球腔锁模激光器
本专利技术属于信息与科学
，具体涉及一种基于石墨烯沟道结构的光纤微球腔锁模激光器。
技术介绍
锁模激光器因为其超短的脉冲和超高的峰值功率广泛应用于激光快速成型、激光光谱学、非线性光学、凝聚态物理学、精密打孔、材料处理加工、光学晶体的微加工等领域。一台自由运转的激光器中往往会有很多个不同模式或频率的激光脉冲同时存在，而只有在这些激光模式相互间的相位锁定时，才能产生激光超短脉冲或称锁模脉冲。实现锁模的方法有很多种，但一般可分成两大类：即主动锁模和被动锁模。目前主动锁模激光器通过由外部向激光器提供调制信号的途径来周期性地改变激光器的增益或损耗从而达到锁模目的，其重频受到其调制信号带宽的限制，同时对调制器有很高的要求，调制不稳定会导致激光器失锁，且该类锁模激光器的系统结构复杂，价格昂贵。被动锁模则是利用材料的非线性吸收或非线性相变的特性来产生激光超短脉冲，与主动锁模相比，被动锁模脉冲的脉宽更窄，其系统结构简单，不需要人为控制，但是其系统可调性差，激光输出稳定性差。锁模光纤激光器拥有超短脉冲、超短的恢复时间、超强的峰值功率、超值的价位、便于集成于现有光网络等众多优点而广受关注，成为激光领域的研究热点。但目前尚没有一款兼顾结构简单，成本低廉，大范围可调，超稳定的光纤锁模激光器。
技术实现思路
针对上述存在问题或不足，为解决现有锁模激光器不能兼顾结构简单、成本低廉、大范围可调和稳定性的问题；本专利技术提供了一种基于石墨烯沟道结构的光纤微球腔锁模激光器，通过在光纤微球锁模激光器的系统内集成金-石墨烯-金的异质结构，在外部电压动态调控下实现重频大范围调制的稳定超短脉冲输出。该基于石墨烯沟道结构的光纤微球腔锁模激光器，包括表面掺铒微球、多层石墨烯和微纳光纤。所述表面掺铒微球，是在通过光纤制备的二氧化硅微球表面掺入三价饵离子Er3+形成。微球表面的铒离子吸收泵浦光子的能量后会跃迁到高能级上，形成粒子数反转，通过受激辐射得到大量的相干光子。表面掺铒微球与光钎连接端和与其相对应的球体另一端均设置有金电极，多层石墨烯贴附于球体上的两金电极之间，两金电极的间距为微球直径D的1/4～1/3。两金电极关于微纳光纤与球体耦合的切面对称，并构成金-石墨烯-金的异质结构。所述微纳光纤与制备表面掺铒微球的光纤相垂直的贴附于表面掺铒微球两金电极间的球面中线处，实现与表面掺铒微球的微球腔光耦合，并用以输入泵浦光和输出激光。金是优秀的导电材料，同时对光也有很强的吸收，普通微球回音壁谐振腔的模式体积较大，其谐振模式数量较多，通过对微球表面镀金，可以大大减小微球的模式体积，限制谐振模式数量，同时可以对之间贴附的石墨烯实现电调控。同时整个锁模激光器的两端都是采用普通单模光纤接头，所以整个结构可以很方便的直接接入由单模光纤构成的光路。进一步的，所述表面掺铒微球：将普通的单模光纤通过光纤熔接机控制放电强度为150-250毫安，单次放电时间3-6秒进行电弧放电2-5次以得到200-400微米直径的二氧化硅微球；而后再配置氯化铒-二氧化硅混合溶液，再加上UV胶使饵离子能涂覆到微球表面，最后通过氢氧焰脱脂工艺去除UV胶，通过熔接机烧结得到透明的掺铒微球，该球腔品质因数达3千万以上。石墨烯，是一种单层厚度为0.38nm的薄膜材料，具有卓越的光子-电子交互能力。由于石墨烯的狄拉克费米子的无隙对称分布，使其具有非常高的电荷可调性以及宽带非线性吸收。本专利技术利用3-5层多层石墨烯的宽带可饱和吸收效应，可以实现激光器的锁模和调Q操作。本专利技术通过普通二氧化硅单模光纤将1480纳米的泵浦光源信号从一侧注入微纳光纤。在表面掺铒微球的微球腔区域，由于激光腔的回音壁模式，所构成的谐振腔Q值达3千万以上，通过表面铒离子的增益放大，形成激光激射。由于集成在微球表面的石墨烯的饱和吸收效应，微球腔激光器逐渐形成锁模脉冲。在金电极偏置电压为0伏特时，其超短脉冲的重频为基础锁模频率100GHz；进一步调节偏置电压至20伏特，其重频达到1THz；为了避免过高偏置电压导致石墨烯热电导结构遭到破坏，我们设置所加电压上限为20伏特。与现有技术相比，本专利技术结合了光学、超材料学科、微纳加工领域的技术，通过廉价且简单的制作工艺获得了品质因数达3千万以上的微球回音壁谐振腔，实现了单纵模线宽1kHz，阈值为20微瓦的激光出射。通过氯化铒与二氧化硅粉末混合烧结工艺，在不增加体积的情况下为微球腔添加了增益介质。通过与超材料石墨烯的结合，利用多层石墨烯薄膜作为电可调饱和吸收体，实现输出激光的重频从100GHz到1THz的大范围可调，远超现有的光纤锁模激光器。并且本专利技术器件工作基于全光系统，可以实现片上集成，方便接入现有的光网络，在超高速光通信、超灵敏光传感、超精密分析测量和大范围可调光源等科学领域有着非常突出的应用潜力。综上所述，本专利技术实现了锁模激光器兼顾结构简单、成本低廉、大范围可调和稳定性的多种特点。附图说明图1是本专利技术的三维结构示意图；图2是本专利技术调控结构细节图；图3是测试系统图；图4为实施例电压调节石墨烯的饱和吸收效率示意图；图5为实施例电压调节光纤微球腔锁模激光器的输出重频示意图；图6为实施例激光输出脉冲时域图；附图标记：微球-(1)，金电极-(2，3)多层石墨烯-(4)，微纳光纤-(5)，1480纳米激光器-(6)，电压调控-(7)，3dB耦合器-(8)，光谱仪-(9)，示波器-(10)，光电探测器-(11)，真空腔-(12)。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。一种基于石墨烯沟道结构的光纤微球腔锁模激光器，由微纳光纤和表面掺铒的二氧化硅微球组成。微纳光纤通过光纤熔融拉锥设备制得，长为3厘米，直径为1微米，实现与微球腔的高效耦合；普通的单模光纤通过光纤熔接机以放电强度为200毫安，单次放电时间5秒进行电弧放电4次，而后再配置浓度为1019/cm3的氯化铒-二氧化硅混合溶液，再加上UV胶使饵离子能涂覆到微球表面，最后通过氢氧焰脱脂工艺去除UV胶，通过熔接机烧结得到直径300微米的表面掺铒微球，该微球与光纤相接的一端与另一端镀有厚度为30纳米、间隔100微米的两个金电极，镀金后微球的谐振模式数量为2，金电极之间贴附有一片长120微米，宽100微米的4层石墨烯薄膜，器件通过单模光纤接入光路系统。结合图1，2所示，将普通单模光纤通过光纤熔接机电弧放电得到直径为300微米的微球(1)。波长为1480纳米的泵浦光沿微纳光纤(5)耦合到微球谐振腔中，在微球表面掺杂的三价铒离子会吸收泵浦光子形成粒子数反转，满足微球腔谐振条件波长的光将会在腔中被放大，形成受激辐射。通过调节两个金电极，调谐多层石墨烯的饱和吸收效应，实现锁模脉冲激光的出射。结合图3，4，5，6所示，将1480纳米的泵浦激光(6)从微纳光纤一侧输入，耦合到表面掺铒的微球腔中，激光从微纳光纤的另一侧输出，在输出端通过一个3dB耦合器(8)将激光分为两路。一路接光谱仪(9)，获取输出激光的重频数据，如图5所示。一路接光电探测器(11)再接示波器(10)，获取输出激光的时域脉冲信号，如图6所示。整个装置置于真空腔(12)中，防止石墨烯吸附气体分子带来的影响。本专利技术通过对两金电极进行电压调控(7本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于石墨烯沟道结构的光纤微球腔锁模激光器，其特征在于：包括表面掺铒微球、多层石墨烯和微纳光纤；所述表面掺铒微球，是在通过光纤制备的二氧化硅微球表面掺入三价饵离子Er3+形成；表面掺铒微球与光钎连接端和与其相对应的球体另一端均设置有金电极，多层石墨烯贴附于球体上的两金电极之间，两金电极的间距为微球直径D的1/4～1/3；两金电极关于微纳光纤与球体耦合的切面对称，并构成金‑石墨烯‑金的异质结构；所述微纳光纤与制备表面掺铒微球的光纤相垂直的贴附于表面掺铒微球两金电极间的球面中线处，实现与表面掺铒微球的微球腔光耦合，并用以输入泵浦光和输出激光。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯沟道结构的光纤微球腔锁模激光器，其特征在于：包括表面掺铒微球、多层石墨烯和微纳光纤；所述表面掺铒微球，是在通过光纤制备的二氧化硅微球表面掺入三价饵离子Er3+形成；表面掺铒微球与光钎连接端和与其相对应的球体另一端均设置有金电极，多层石墨烯贴附于球体上的两金电极之间，两金电极的间距为微球直径D的1/4～1/3；两金电极关于微纳光纤与球体耦合的切面对称，并构成金-石墨烯-金的异质结构；所述微纳光纤与制备表面掺铒微球的光纤相垂直的贴附于表面掺铒微球两金电极间的球面...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭腾，袁中野，姚佰承，吴宇，饶云江，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51