倏逝場作用氧化石墨烯大能量耗散孤子鎖模雙包層光纖激光器

吳端端,黃義忠,羅正錢,蔡志平,許惠英

(廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,福建 廈門 361005)

石墨烯因其獨(dú)特的二維原子結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異的光可飽和吸收性能,可作為優(yōu)越的鎖模或調(diào)Q器件，因此,近幾年來基于石墨烯鎖模/調(diào)Q光纖激光器的研究備受關(guān)注,是最近激光器研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一．相比較地,氧化石墨烯不僅具有與石墨烯相媲美的可飽和吸收特性[1],同時(shí),由于官能團(tuán)的存在,還具有很強(qiáng)的親水性,且直接制備氧化石墨烯水溶液的工藝比石墨烯更為簡單、制作成本更低．因此,使用氧化石墨烯可能將更有益于實(shí)現(xiàn)鎖模激光器的商業(yè)化．

2009年,劍橋大學(xué)研究小組[2]與新加坡南洋理工大學(xué)研究小組[3]分別率先報(bào)道了石墨烯鎖模摻鉺光纖激光器．隨即掀起了國際上對石墨烯鎖模光纖激光器的研究熱潮[4-12]．石墨烯鎖模從正色散腔至負(fù)色散腔，從近紅外1 μm至中紅外2 μm，從稀土增益光纖至非線性拉曼增益光纖等等,各方面的研究工作均已展開．其中,石墨烯鎖模的反常色散腔因易于產(chǎn)生傳統(tǒng)的光孤子,限制了孤子脈沖能量(通常小于1 nJ);為獲得大脈沖能量鎖模脈沖,研究者們通常采用正常色散腔鎖模來獲得耗散孤子[13]．然而,目前基于石墨烯鎖模產(chǎn)生耗散孤子的能量仍不夠高[14],主要?dú)w咎于:1) 使用端面型石墨烯飽和吸收器件,因腔內(nèi)激光直接穿透石墨烯,易導(dǎo)致石墨烯熱損傷,不利于高能量鎖模脈沖的產(chǎn)生．2) 使用單模稀土摻雜光纖導(dǎo)致增益易飽和;Zhao等[14]使用端面型石墨烯飽和吸收體實(shí)現(xiàn)了石墨烯鎖模耗散孤子,但其單脈沖能量僅為0.41 nJ．如果采用錐形光纖,石墨烯與表面倏逝光相互作用,散熱性能好,益于高功率運(yùn)轉(zhuǎn)．因此,若采用倏逝場作用石墨烯或氧化石墨烯構(gòu)成耐高功率可飽和吸收體將是可行的方案之一．

另一方面,若采用大模場面積光纖作為增益光纖,易于大泵浦功率注入,獲得足夠大光增益,即可產(chǎn)生超大能量鎖模脈沖[9,15-16]．利用石墨烯鎖模摻鐿雙包層光纖激光器,Liu等[9]已成功獲得單脈沖能量163 nJ脈沖,但鎖模脈沖并未表現(xiàn)出耗散孤子特征．本文利用975 nm大功率半導(dǎo)體激光器泵浦正色散摻鐿雙包層光纖激光器,采用倏逝場作用的氧化石墨烯作為可飽和吸收體,得到了151 nJ高能量耗散孤子脈沖輸出．大能量耗散孤子的形成主要?dú)w因于熔錐光纖帶通濾波特性、光纖增益帶寬限制、正色散和腔內(nèi)非線性效應(yīng)等共同作用的結(jié)果．

1 實(shí)驗(yàn)裝置和原理分析

大能量耗散孤子鎖模摻鐿雙包層光纖激光器的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示．最大輸出功率9 W的975 nm LD通過980/1 064 nm合束器泵浦一段10 m長的保偏雙包層摻鐿光纖(YDF,5/130,包層吸收1.7 dB/m @975 nm,工作波長1 060～1 115 nm)．350 m長的單模摻磷光纖插入腔內(nèi) (色散值約-4 ps/nm/km波長1 064 nm,截止波長1 000 nm),其主要作用為:1) 加長腔長,降低鎖模脈沖的重復(fù)頻率,從而易于獲得大脈沖能量輸出;2) 長腔有利于降低鎖模閾值[17]．偏振控制器用于調(diào)節(jié)腔內(nèi)偏振態(tài)優(yōu)化鎖模運(yùn)轉(zhuǎn),氧化石墨烯沉積的熔錐光纖作為可飽和吸收體．2個(gè)耦合器構(gòu)成寬帶光纖環(huán)形反射鏡(FLM1、FLM2),形成激光線性諧振腔．其中,FLM1是耦合比為50∶50的耦合器構(gòu)成的全反鏡;FLM2是耦合比為80∶20的耦合器構(gòu)成,光透射率為36%．我們采用線形腔結(jié)構(gòu)(腔體有效腔長是環(huán)形腔的2倍),能增加有效腔長使輸出激光的重復(fù)頻率降低,更加有利于增加單脈沖能量．激光輸出的脈沖通過1 GHz的光電探測器連接到示波器和頻譜分析儀監(jiān)測,同時(shí)利用光譜分析儀觀察其鎖模光譜特性．

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental setup

實(shí)驗(yàn)中,氧化石墨烯沉積的熔錐光纖至關(guān)重要．氧化石墨烯制備方法如下:首先采用改進(jìn)的Hummers法從天然石墨中獲得氧化石墨粉體,然后通過高強(qiáng)度超聲波震蕩制成氧化石墨烯水溶液[18]．經(jīng)過熔錐光纖倏逝場將溶液中氧化石墨烯片沉積至錐腰部位,這部分的詳細(xì)過程參見我們之前的工作[19]．本實(shí)驗(yàn)所用熔錐光纖是拉伸16 mm后得到的,錐腰直徑為7 μm,沉積后的錐體損耗約為2 dB．圖2是熔錐光纖氧化石墨烯器件的透射譜和YDF的放大自發(fā)輻射光．從圖中可以看出,熔錐光纖氧化石墨烯器件對光波長具有選擇性,具有梳狀帶通濾波作用,這起源于熔錐部位存在多模干涉?zhèn)鬏斝?yīng)．盡管YDF具有較寬的增益帶寬,然而從圖中放大自發(fā)輻射光可知,其在1 080 nm附近增益最強(qiáng)．結(jié)合熔錐光纖自身的帶通濾波特性與YDF的增益特性,這將有利于耗散孤子的形成．

圖2 熔錐光纖氧化石墨烯器件透射譜(a)和YDF增益譜(b)Fig.2 Transmission spectrum of fiber taper grapheme component and gain spectrum of YDF

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

激光器閾值約為290 mW,鎖模閾值398 mW．當(dāng)泵浦功率達(dá)到537 mW時(shí),通過PC調(diào)節(jié)腔內(nèi)偏振態(tài),可以獲得穩(wěn)定的鎖模脈沖,圖3為實(shí)驗(yàn)測量得的基波鎖模典型脈沖序列圖．可以看出，脈沖周期為3.5 μs,重復(fù)頻率271.4 kHz,為激光腔的基本振蕩頻率．圖3插圖為1 ms范圍的鎖模脈沖序列圖,從圖中可以看出激光器運(yùn)行在穩(wěn)定的鎖模狀態(tài)．通過光譜分析儀(分辨率為0.01 nm)測量了激光器的輸出光譜,如圖4所示．該光譜的中心波長約為1 085 nm,譜寬約為4 nm．光譜兩邊各有1個(gè)峰,邊沿陡峭,說明這是一個(gè)典型的耗散孤子鎖模光譜．

插圖為1 ms范圍的鎖模脈沖序列圖.圖3 耗散孤子基頻鎖模的脈沖序列圖Fig.3 Pulse train of dissipative-soliton mode-locked pulse at the fundamental frequency

圖4 耗散孤子鎖模輸出光譜Fig.4 Output spectrum of dissipative-soliton mode-locked YDF laser

為進(jìn)一步觀察鎖模的穩(wěn)定狀態(tài),實(shí)驗(yàn)中同時(shí)通過頻譜分析儀測量耗散孤子鎖模的頻譜,如圖5所示．鎖模基頻為271.4 kHz,信噪比約為57 dB,說明鎖模工作在穩(wěn)定的狀態(tài)．插圖為各次諧波的頻譜圖,從圖中可以看出,激光器處于連續(xù)波鎖模狀態(tài),頻譜中包含較強(qiáng)的基底噪聲是儀器(GWINSTEK GSP-930)自帶的電噪聲．

插圖為耗散孤子鎖模各次諧波頻譜圖.圖5 耗散孤子鎖模基頻頻譜圖Fig.5 Frequency spectrum of dissipative-soliton modelocked pulse at the fundamental frequency

當(dāng)泵浦功率從398.2 mW逐漸上升到676.1 mW時(shí),測量了激光器輸出功率和耗散孤子鎖模單脈沖能量隨泵浦功率的變化曲線,如圖6所示．耗散孤子鎖模的輸出功率和單脈沖能量隨泵浦功率的增加接近線性增加．當(dāng)泵浦功率為676.12 mW時(shí),激光器獲得了最大39 mW的輸出功率,計(jì)算可得最大單脈沖能量約為151.54 nJ.激光器獲得高能量脈沖的主要原因是:1) 采用包層泵浦技術(shù),以高功率泵浦YDF,獲得高增益;2) 使用線形腔增加腔長,降低重復(fù)頻率；3) 采用倏逝場作用的氧化石墨烯可飽和吸收體,易于耐高功率．

圖6 單脈沖能量、輸出功率與泵浦功率的關(guān)系Fig.6 Relationship between single pulse erergy, output power and pump power

3 結(jié) 論

本文實(shí)現(xiàn)了倏逝場作用型氧化石墨烯的可飽和吸收體用于鎖模摻鐿雙包層光纖激光器產(chǎn)生大能量耗散孤子．利用熔錐光纖倏逝場誘導(dǎo)沉積氧化石墨烯方法,制備了熔錐光纖可飽和吸收體．同時(shí),結(jié)合光纖包層泵浦技術(shù),我們在摻鐿雙包層光纖激光器中獲得了大能量耗散孤子,其單脈沖能量最高可達(dá)151.54 nJ，重復(fù)頻率271.4 kHz、信噪比57 dB．大能量耗散孤子的形成是包層泵浦、倏逝場作用型可飽和吸收體、熔錐光纖自身的帶通濾波特性、光纖增益帶寬限制、腔內(nèi)光學(xué)非線性及色散等因素相互作用的結(jié)果．

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