一种采用二硫化钨作为稳定波长输出的多波长光纤激光器及其制备方法

技术领域

本发明属于多波长光纤激光器领域，特别是一种对可饱和吸收体非线性的应用及其制备连接方法。

背景技术

多波长掺铒光纤激光器作为光通信领域中最有发展前途的光源之一，摒弃了传统半导体激光阵列操作复杂、结构庞大和成本高昂等缺点，具有高增益、宽带宽、插入损耗低、结构简单等优点，其增益曲线几乎覆盖了波分复用系统1550nm的工作波长范围，在密集波分复用、光纤传感、光学测量等领域有广阔应用前景。然而，由于掺铒光纤具有均匀展宽特性，会导致各频率光的剧烈模式竞争效应，难以有效地获得稳定的多波长输出。因此，如何改进多波长掺铒光纤激光器，使其能够实现稳定多波长输出

二维纳米材料可沉积成薄膜的研究成果和应用逐渐受到越来越多的关注。目前，许多非线性光学材料已被提出并证明可用于光纤激光器的饱和吸收材料，包括石墨烯、单壁碳纳米管、黑磷、拓扑绝缘材料和过渡金属二硫化物。许多石墨烯、黑磷等二维纳米材料的实验被提出，并证明它们可以很容易地制备并吸附在光纤端面上。二维纳米薄膜可以被多次吸附，便可获得与成本较高的特殊非线性光纤相同的效果。二维纳米材料具有成本低、不增加系统复杂性等优点，具有广阔的非线性光学应用前景。过渡金属二硫化物作为二维纳米材料的代表，其物质含量更丰富，响应时间超快，饱和吸收带宽，非线性强。它可以作为光纤激光器的饱和吸收体来实现锁模和调Q功能。同时在光纤环形腔中加入过渡金属二硫化物可以抑制由掺铒关系带来的模式竞争，获得稳定的C波段激光输出。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析，提出一种采用二硫化钨作为稳定波长输出的多波长光纤激光器及其搭建制备方法，该光纤激光器基于Lyot滤波器和二硫化钨薄膜，由Lyot滤波器产生多波长激射；利用二硫化钨薄膜对掺铒光纤产生的模式竞争加以抑制。该光纤激光器结构简单、成本低、有利于推广应用。

本发明的技术方案：

一种采用二硫化钨作为稳定波长输出的多波长光纤激光器，其结构为：由980nm泵浦通过波分复用器连接一段掺铒光纤，加入隔离器保护泵浦并保证光的单向传输，再接入Lyot滤波器，作为可饱和吸收体的二硫化钨薄膜通过光学沉积的方法吸附在光纤跳线端面上，并通过法兰盘与另一端单模光纤进行连接，最后使用10:90的耦合器。其中，90％的光继续在激光环腔中传输、10％的光进入光谱仪进行观察。

该多波长光纤激光器由以下步骤完成稳定的多波长激射：

1)实验中使用980nm泵浦发射980nm激光，10m长掺铒光纤作为增益介质，在受激辐射的作用下，产生1550nm的激光进入环形腔中。加入隔离器保证光单向传输并且保护泵浦。

2)实验中的Lyot滤波器由偏振控制器PC1，8m长保偏光纤和偏振控制器PC2组成。环形腔中传输的激光经过PC1后，会由线偏振光变为椭圆偏振光，且会偏转一个角度，接着偏振光进入保偏光纤传输时，偏振光会沿着快慢两正交折射轴传输，因此偏振光在经过8m长保偏光纤后会产生一个相位延迟，通过PC2后，分别沿快慢两轴传输的光会形成梳状干涉谱，而后继续在环形腔中传输。如图2为使用8m长的保偏光纤，在泵浦功率为250mW下可激射出9个波长，每个波长间隔为0.7nm。

3)当环形腔中加入二硫化钨薄膜，经过Lyot滤波器后的光通过吸附有二硫化钨薄膜的光纤跳线头，薄膜因其具有良好的非线性光学特性，可以抑制掺铒光纤带来的模式竞争，从而稳定输出的多波长激光。如图3使用8m长的保偏光纤，在泵浦功率为250mW下可激射出9个波长，每个波长间隔为0.7nm，中间7条波长输出的波长峰值光强波动小于1dB，两边波峰光强均大于-20dBm

二维二硫化钨薄膜通过以下方法得到：

1)采用单层二硫化钨大纳米片分散液，其浓度为1mg/ml；

2)使用980nm泵浦光源连接到光纤跳线的一端，功率设置为40mW，光纤跳线的另一端浸入到分散液中光学驱动沉积10分钟后将光纤跳线取出并在空气中干燥3小时；

3)干燥后可以清晰看到光纤跳线端面上有黑褐色薄膜附着，且无水滴，使用法兰盘将其与激光腔中的单模光纤连接。

一种采用二硫化钨作为稳定波长输出的多波长光纤激光器的制备方法，将本发明制备的二硫化钨薄膜连接进入多波长光纤激光器中得到。

本发明的优点和有益效果是：

该光纤激光器结构简单且易于搭建，只需使用二维二硫化钨纳米片分散液，室温下光学沉积在光纤跳线端面即可获得良好的非线性光学特征，可以抑制由加入的掺铒光纤带来的模式竞争，对输出的多波长频谱有功率均衡的作用；可通过改变Lyot滤波器中保偏光纤的长度获得不同条数的多波长激射；具有良好的稳定性，被期望作为载波光源应用在波分复用的光纤通信系统中、作为光源应用在分布式传感和激光测距等领域。

附图说明

图1为该多波长光纤激光器结构示意图。

图2为未加入二硫化钨薄膜，泵浦功率为250mW，使用8m长保偏光纤激射出的9个波长输出。

图3为加入二硫化钨薄膜，泵浦功率为250mW，使用8m长保偏光纤激射出的9个波长输出。

图中：1. 980nm泵浦、2.波分复用器、3. 10m长掺铒光纤、4.隔离器、5.偏振控制器PC1、6. 8m长保偏光纤、7.偏振控制器PC2、8.法兰盘、9. 10:90的1×2耦合器、10.光谱仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例：

一种采用二硫化钨作为稳定波长输出的多波长光纤激光器，如图1所示，由980nm泵浦1通过波分复用器2连接10m长掺铒光纤3，接入环形腔中。加入隔离器4保护泵浦并保证环形腔内激光的单向传输。环形腔中的Lyot滤波器由偏振控制器PC15，8m长保偏光纤6和偏振控制器PC27组成。二硫化钨薄膜被吸附在光纤跳线端面上，并使用法兰盘8连接进入环形腔。使用10:90的1×2耦合器9，其中，90％的光继续在激光环腔中传输、10％的光进入光谱仪10进行观察。

由980nm泵浦1发射980nm激光，通过波分复用器2连接10m长掺铒光纤3，在受激辐射的作用下，产生1550nm的激光进入环形腔中。环形腔中传输的激光经过偏振控制器PC15后，会由线偏振光变为椭圆偏振光，且会偏转一个角度，接着偏振光进入保偏光纤传输时，偏振光会沿着快慢两正交折射轴传输，因此偏振光在经过8m长保偏光纤6后会产生一个相位延迟，通过偏振控制器PC27后，分别沿快慢两轴传输的光会形成梳状干涉谱，而后继续在环形腔中传输。然后通过吸附二硫化钨薄膜的光纤跳线头，薄膜因其具有良好的非线性光学特性，可以抑制掺铒光纤带来的模式竞争，从而稳定输出的多波长激光。最后通过10:90的1×2耦合器9，90％的光继续在激光环腔中传输、10％的光进入光谱仪10进行观察。

一种所述采用二硫化钨作为稳定波长输出的多波长光纤激光器的二维二硫化钨薄膜的制备方法，其步骤如下：

1)采用单层二硫化钨大纳米片分散液，其浓度为1mg/ml；

2)使用980nm泵浦1的光源连接到光纤跳线的一端，功率设置为40mW。光纤跳线的另一端浸入到分散液中光学驱动沉积10分钟后将光纤跳线取出并在空气中干燥3小时；

3)干燥后可以清晰看到光纤跳线端面上有黑褐色薄膜附着，且无水滴，即可使用法兰盘8将其与激光腔中的单模光纤连接，制得二硫化钨薄膜。

将上述所得二硫化钨薄膜连接进入多波长光纤激光器中，实现多波长光纤激光器的制备。

打开980nm泵浦1，调节泵浦到250mW，此时激光器运行最为稳定，输出的多波长激光在1528nm-1535nm之间，调节偏振控制器PC15及偏振控制器PC27，观察光谱仪显示的波形，当波形稳定后，多次扫描取平均值可获得稳定的多波长输出。图2为未加入二硫化钨薄膜，泵浦功率为250mW，使用8m长保偏光纤激射出的9个波长输出。图3为加入二硫化钨薄膜，泵浦功率为250mW，使用8m长保偏光纤激射出的9个波长输出。