[发明专利]氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器,属于激光技术以及非线性光学领域。

背景技术

拉曼光纤激光器是利用光纤中的非线性效应（受激拉曼散射）产生激光输出。这类激光器的输出波长非常灵活，通过泵浦光波长、拉曼增益介质的选择，结合级联技术，可以实现特殊波长输出，极大地满足了探测、传感、生物、医学等领域对波长的要求。

同时，利用调Q技术可以使拉曼光纤激光器产生纳秒到微秒量级的高能量激光脉冲。相对于声光调Q、电光调Q等主动调Q方法，被动调Q大大降低了激光器的制造成本以及结构复杂性，有益实现产业化。由于传统的被动调Q器件（包括可饱和吸收晶体、半导体可饱和吸收镜等）存在价格昂贵、制备工艺复杂以及光谱响应范围窄等缺点，因此基于碳纳米管和石墨烯材料的调Q光纤激光器成为了研究的热点。虽然碳纳米管和石墨烯都具有很宽的光谱响应范围，但前者是通过将不同作用波长（即不同直径）的碳纳米管混合在一起得到的，导致插入损耗大；后者的产生是由于其本身所特有零带隙的狄拉克锥结构（即价带和导带的顶点相交于费米能级处,且在费米能级附近其载流子呈现线性的色散关系）。正是由于石墨烯的这一独特的非线性光学特性使之成为备受瞩目的新型可饱和吸收材料。

但是，由于石墨烯是由不含任何不稳定键的苯六元环组合而成的二维晶体,化学稳定性高,难溶于水及常用的有机溶剂,这给石墨烯的制备和应用造成了极大的困难。而氧化石墨烯由于存在大量的含氧官能团,从而表现出很强的亲水性,可以高度分散在水溶液或其他有机溶剂中。这一特性使得氧化石墨烯在制成光学器件方面具有更高的灵活性和可加工性（例如可以利用旋涂机制作不同衬底的氧化石墨烯薄膜；或将氧化石墨烯溶液注入到空心的光子晶体光纤中）。另一方面，虽然含氧官能团的引入破坏了石墨烯的狄拉克锥结构，使其导电性能显著降低，但大量研究表明氧化石墨烯依然具有可与石墨烯相媲美的极快的恢复时间和极强的可饱和吸收特性。此外，氧化石墨烯可以通过化学剥离的方法从天然石墨材料中大量制得，成本低廉，且制备工艺比石墨烯更为简单。这些优势使得氧化石墨烯在脉冲激光器领域有重大的研究意义和应用前景。

发明内容

由于氧化石墨烯可饱和吸收体价格低廉、制备简单，且具有极强亲水性和可饱和吸收性，本发明采用氧化石墨烯可饱和吸收体作为被动调Q器件，结合光纤的拉曼效应，实现了波长灵活的、高稳定性、高能量的脉冲激光输出。该发明在通信传感、生物医疗和材料加工等多个领域有着广泛的应用前景。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器，其特征在于：主要包括泵浦源（1）、波分复用光纤耦合器（2）、拉曼光纤（3）和氧化石墨烯可饱和吸收体（5），同时还包括环形器（4）、输出耦合器（6）、偏振控制器（7）、隔离器（8）、光纤布拉格光栅（9）、反射镜（10）、合束器（11）、稀土掺杂光纤（12）中的一项或几项；所述的氧化石墨烯调Q拉曼光纤激光器采用环形腔结构、线形腔结构或混合腔结构。

采用环形腔结构时优选为：泵浦源（1）通过波分复用光纤耦合器（2）将泵浦光注入拉曼光纤（3）；拉曼光纤（3）依次连接环形器（4）、输出耦合器（6）和偏振控制器（7），最后连接波分复用光纤耦合器（2）的信号端，形成环形的激光谐振腔；氧化石墨烯可饱和吸收体（5）位于环形器（4）第二端口，用于实现被动调Q；产生的拉曼信号光通过输出耦合器（6）输出。（如图1所示）

采用环形腔结构时优选为：泵浦源（1）通过波分复用光纤耦合器（2）将泵浦光注入拉曼光纤（3）；拉曼光纤（3）依次连接氧化石墨烯可饱和吸收体（5）、输出耦合器（6）和隔离器（8），最后连接波分复用光纤耦合器（2）的信号端，形成环形的激光谐振腔；氧化石墨烯可饱和吸收体（5）用于实现被动调Q；产生的拉曼信号光通过输出耦合器（6）输出。（如图2所示）

采用线形腔结构时优选为：泵浦源（1）连接波分复用光纤耦合器（2）的泵浦输入端；波分复用光纤耦合器（2）的公共端依次连接光纤布拉格光栅（9）、拉曼光纤（3）和氧化石墨烯可饱和吸收体（5）；光纤布拉格光栅（9）和氧化石墨烯可饱和吸收体（5）之间形成激光谐振腔，产生的拉曼信号光通过波分复用光纤耦合器（2）的信号端输出。（如图3所示）