一種全光纖激光器的制作方法

本實用新型涉及超快脈沖激光領域，具體涉及一種全光纖激光器。

背景技術：

在激光器中，由于被動鎖模激光器可以提供高穩定性、高光束質量、高能量的超短脈沖，因此被廣泛應用于科研、工業、國防、環境、能源、通訊等與人們生活息息相關的領域，具有強大的應用價值。

全光纖激光器作為一種重要的被動鎖模激光器，通常采用可飽和吸收體被動鎖模以實現激光器被動鎖模，目前常用的可飽和吸收體包括石墨烯、拓撲絕緣體、二硫化鉬或黑磷等二維材料，雖然這些二維材料具有寬波段、小帶隙、高載流子遷移率、高表面體積比等特性，但是，它們在某些方面(吸收強度、光譜范圍、載流子動力學等)卻存在不足，特別是光吸收率低，導致全光纖激光器的穩定性不好。因此，如何增加二維材料與光的相互作用，以進一步提高其非線性光學性能，并提高激光器的穩定性、以滿足市場的實際應用是亟需解決的一個問題。

技術實現要素：

為解決上述問題，本實用新型提供了一種全光纖激光器。

一種全光纖激光器，包括沿光傳播方向依次設置的泵浦源、波分復用器、增益光纖、偏振控制器、偏振無關隔離器、光纖耦合器和可飽和吸收體，所述可飽和吸收體包括D型光纖和量子點薄膜層，所述D型光纖包括一D型凹槽和一纖芯，所述量子點薄膜層覆蓋在所述D型凹槽的底部，所述D型凹槽的底部與所述纖芯中心之間的垂直距離d滿足r<d，其中，r為所述纖芯的半徑。

其中，所述r的范圍為4-5μm，所述d滿足r<d<15μm。

其中，所述量子點薄膜層的厚度為10μm-50μm。

其中，所述量子點薄膜層的厚度為20μm-30μm。

其中，所述D型凹槽在光傳播方向上的長度為3mm-5mm。

其中，所述量子點薄膜層中量子點的尺寸在100nm以下。

其中，所述量子點薄膜層中量子點的尺寸為2nm-100nm。

其中，所述可飽和吸收體中的量子點的能量帶隙與所述全光纖激光器的工作波長一致。

其中，所述光纖耦合器的耦合比為10:90，其中，10％端用于輸出光信號。

其中，所述泵浦源輸出的泵浦光的中心波長為980nm。

本實用新型提供的全光纖激光器，包括可飽和吸收體，可飽和吸收體包括量子點薄膜層，由于量子點的量子限域效應和邊緣效應，可以增強物質與光相互作用強度，量子點薄膜層中的量子點的光吸收率比常規二維材料的光吸收率大一個數量級。另外，本實用新型采用D型光纖結構，可以增加物質與光的相互作用的長度，從而提高全光纖激光器的非線性光學性能和穩定性，滿足市場的實際應用的需要。

附圖說明

圖1為本實用新型提供的全光纖激光器的結構示意圖；

圖2為本實用新型提供的可飽和吸收體的結構示意圖；

圖3為本實用新型提供的可飽和吸收體中D型凹槽部分的截面圖。

具體實施方式

以下所述是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本實用新型的保護范圍。

請參閱圖1、圖2和圖3，圖1為本實用新型提供的全光纖激光器的結構示意圖；圖2為本實用新型提供的可飽和吸收體的結構示意圖；圖3為本實用新型提供的可飽和吸收體中D型凹槽部分的截面圖；圖1中101為泵浦源、102為波分復用器、103為增益光纖、104為偏振控制器、105為偏振無關隔離器、106為光纖耦合器、107為可飽和吸收體，圖2中1為D型光纖，2為量子點薄膜層，6為量子點薄膜層中的量子點材料，3為D型凹槽，圖3中2為量子點薄膜層，4為光纖纖芯，5為光纖包層。

本實用新型提供了一種全光纖激光器，包括沿光傳播方向依次設置的泵浦源101、波分復用器102、增益光纖103、偏振控制器104、偏振無關隔離器105、光纖耦合器106、可飽和吸收體107，其中，波分復用器102、增益光纖103、偏振控制器104、偏振無關隔離器105、光纖耦合器106、可飽和吸收體107依次用單模光纖連接成環形光纖諧振器腔結構；其中，泵浦源101與波分復用器102的泵浦端(反射端)連接，以將泵浦光輸入到光纖諧振器腔，波分復用器102的公共端(透射端)與增益光纖103的一端相連，增益光纖103的另一端與偏振控制器104的輸入端相連，偏振控制器104的輸出端與偏振無關隔離器105的輸入端連接，偏振無關隔離器105的輸出端與耦合比為10:90的光纖耦合器106的輸入端連接；光纖耦合器106的10％端輸出信號光，而90％端與可飽和吸收體107一端連接；可飽和吸收體107的另外一端與波分復用器102的信號端相連。可飽和吸收體產生可飽和吸收，使全光纖激光器產生超快激光脈沖。可飽和吸收體包括D型光纖和量子點薄膜層，D型光纖包括一D型凹槽和一纖芯，量子點薄膜層覆蓋在D型凹槽的底部，D型凹槽的底部與纖芯中心之間的垂直距離d滿足r<d，其中，r為纖芯的半徑。

本實用新型一實施方式中，泵浦源輸出的泵浦光的中心波長為980nm。

本實用新型一實施方式中，增益光纖103為摻鐿光纖、摻鉍光纖、摻鉺光纖、摻銩光纖或ZBLAN光纖等，具體的說，當選擇不同的增益光纖時，波分復用器、光纖耦合器、偏振無關隔離器、偏振控制器、可飽和吸收體的工作波長為相應增益光纖的工作波長。

本實用新型一優選實施方式中，光纖耦合器的耦合比為10:90，其中，10％端用于輸出光信號。

本實用新型一實施方式中，泵浦源、波分復用器、偏振控制器、光纖耦合器、偏振無關隔離器為業界常規選擇，本實用新型不做特殊限定。

參閱圖2和圖3，本實用新型一實施方式中，可飽和吸收體包括D型光纖1和量子點薄膜層2，D型光纖1的一側沿光傳播方向設置有一D型凹槽3，D型光纖1還包括包層5和纖芯4，量子點薄膜層2覆蓋在D型凹槽3的底部。

本實用新型D型光纖是在標準單模通信光纖上，利用光學微加工技術，將一定長度的圓柱形的光纖包層拋磨掉一部分，制成D型光纖。

本實用新型一實施方式中，光纖纖芯傳輸的光通過消逝場與量子點材料發生相互作用。

現有技術中往往在兩光纖頭之間插入二維材料薄膜形成“三明治”結構，光與二維材料物質相互作用的長度僅為薄膜層的厚度(<50μm)，導致光與二維材料的相互作用的長度較短，激光器的穩定性較差。本實用新型提供了D型光纖，量子點薄膜層覆蓋在D型凹槽底部。光與量子點材料的相互作用長度大約是D型凹槽的長度(3mm-5mm)。因此，基于D型光纖的可飽和吸收體，具有較長的光與物質相互作用長度，可以增加可飽和吸收體的吸收性能，從而提高其非線性光學性能和激光器的穩定性。

本實用新型一實施方式中，量子點薄膜層的厚度為10μm-50μm。

本實用新型一優選實施方式中，量子點薄膜層的厚度為20μm-30μm。

本實用新型一實施方式中，量子點薄膜層中量子點的尺寸在100nm以下，量子點的能量帶隙對應的波長范圍為400nm-4000nm。

本實用新型一優選實施方式中，量子點薄膜層中量子點的尺寸為2nm-100nm。

本實用新型一優選實施方式中，量子點的尺寸在50nm以下。

本實用新型一優選實施方式中，量子點的尺寸為2nm-50nm。

本實用新型一實施方式中，本實用新型的量子點的尺寸指的是量子點的橫向尺寸。

本實用新型一實施方式中，量子點的形狀為二維層狀材料。

本實用新型一實施方式中，量子點包括石墨烯量子點、拓撲絕緣體量子點、過渡金屬硫化物量子點和黑磷量子點中的至少一種。和常規的二維材料相比，本實用新型這些量子點為新型的二維材料，其橫向尺寸在100nm以下。由于這些量子點的尺寸都在100nm以下，因此擁有豐富的邊緣效應和量子限域效應。可以通過控制尺寸大小來調節邊緣效應和量子限域效應，進而得到不同能量帶隙的量子點材料。

本實用新型一實施方式中，拓撲絕緣體量子點包括Bi₂Te₃量子點、Bi₂Se₃量子點和Sb₂Te₃量子點中的至少一種。

本實用新型一實施方式中，過渡金屬硫化物量子點包括二硫化鉬量子點或二硫化鎢量子點。

當該量子點薄膜層應用于全光纖激光器時，可以根據全光纖激光器的工作波長選擇不同尺寸的量子點，從而使量子點的能量帶隙與全光纖激光器的工作波長相匹配，在這種情況下，由于量子限域效應和邊緣效應，量子點材料與光發生共振增強效應，量子點材料對能帶內的激光產生較強的吸收，該量子點薄膜光吸收率比常規二維材料的光吸收率大一個數量級。另外，該量子點具備與普通二維材料一樣的可飽和吸收特性。將該高質量、高光學吸收率的量子點薄膜層制備成可飽和吸收體，使激光器實現被動鎖模運轉，產生高能量、高穩定的超短脈沖。

本實用新型一實施方式中，量子點薄膜層的組成成分中還包括高分子有機化合物，高分子有機化合物為聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯中的至少一種。

本實用新型一實施方式中，高分子有機化合物的作用是增加基于二維材料的量子點的粘合性，從而有助于形成量子點薄膜層。這種高分子有機化合物可以保護量子點，可以保護其免受外界機械力等因素的破壞，增加激光系統的實用性。

本實用新型一實施方式中，量子點薄膜層是由量子點溶液與高分子有機化合物經過混合、超聲、干燥形成的。

本實用新型一實施方式中，量子點薄膜層的制備方法，包括以下步驟：

提供基于二維材料的量子點溶液，基于二維材料的量子點溶液中的量子點為石墨烯量子點、拓撲絕緣體量子點、過渡金屬硫化物量子點和黑磷量子點中的至少一種，量子點的尺寸在100nm以下；

超聲分散后，將量子點溶液直接滴至D型凹槽的底部，真空條件下于70-100℃烘干，在D型凹槽的底部形成量子點薄膜層。

本實用新型一優選實施方式中，將量子點溶液與高分子有機化合物混合，超聲分散后，得到混合溶液；高分子有機化合物為聚乙烯醇(PVA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PS)中的至少一種。

本實用新型一實施方式中，量子點溶液按照常規方法制備即可，具體不限，如石墨烯量子點可采用水熱法、微波輔助法。如黑磷量子點的制備方法可參考文獻[Ultrasmallblackphosphorus quantum dots:synthesis and use as photothermalagents,Angew.Chem.,2015,127(39):11688-11692]進行制備。

本實用新型一實施方式中，該可飽和吸收體以單模光纖為基礎，其中間部分經過拋磨處理去掉部分包層5，形成D型凹槽。量子點材料通過物理的方法設置到D型凹槽底部，光纖采用標準單模光纖。

本實用新型一實施方式中，D型凹槽在光傳播方向上的長度L為3mm-5mm。

本實用新型一實施方式中，D型凹槽底部被量子點薄膜層完全覆蓋。

如圖3所示，本實用新型一實施方式中，D型凹槽的底部與纖芯中心之間的垂直距離d滿足r<d，其中，r為纖芯的半徑，即D型凹槽3的底部與光纖纖芯4之間還留有一定厚度的包層，纖芯表面沒有露出。R為D型光纖的最大半徑(即包層2完整時光纖的半徑)，由于D型光纖中D型凹槽的存在，很顯然，d是小于R的。

本實用新型一優選實施方式中，D型凹槽的底部與纖芯之間的距離很近但兩者又不接觸。

本實用新型一優選實施方式中，r的范圍為4-5μm，d滿足r<d<15μm。

本實用新型一實施方式中，D型凹槽底面平整。

本實用新型一實施方式中，可飽和吸收體中的量子點的能量帶隙與全光纖激光器的工作波長一致。可飽和吸收體中的量子點的能量帶隙與全光纖激光器的工作波長一致指的是量子點的能量帶隙對應的波長與全光纖激光器的工作波長相同或相近。

本實用新型提供的全光纖激光器，包括可飽和吸收體，可飽和吸收體中的量子點的能量帶隙與全光纖激光器的工作波長一致，由于量子限域效應和邊緣效應，量子點與光發生共振增強效應，量子點對能帶內的激光產生較強的吸收，可以顯著提高激光器的穩定性。本實用新型將高質量、高光學吸收率的量子點薄膜層制備成可飽和吸收體，并且將量子點薄膜層覆蓋D型凹槽底部，可以增加光與物質相互作用的長度，使激光器實現被動鎖模運轉，產生高能量、高穩定的超短脈沖。

以上所述實施例僅表達了本實用新型的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本實用新型專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本實用新型的保護范圍。因此，本實用新型專利的保護范圍應以所附權利要求為準。