石墨烯被動調Q摻鉺光纖激光器的實驗研究

謝 彪

（無錫科技職業學院電子技術學院，江蘇無錫 214028）

石墨烯被動調Q摻鉺光纖激光器的實驗研究

謝 彪

（無錫科技職業學院電子技術學院，江蘇無錫 214028）

介紹了一種基于石墨烯的被動調Q摻鉺光纖激光器。調Q器件為自備的石墨烯可飽和吸收液，腔體結構為環形腔。當抽運功率為48 mW時，可以得到穩定的重復頻率為31 k Hz的調Q脈沖，平均輸出功率為0.8 mW；當抽運功率增加到460 m W時，最大平均輸出功率為13.8 mW，重復頻率為77 k Hz，脈沖寬度為800 ns，光譜的中心波長為1 558 nm。平均輸出功率、重復頻率與抽運功率近似呈線性關系，并在理論上給出了合理解釋。

石墨烯；摻鉺光纖；可飽和吸收液；被動調Q

0 引 言

當前，人們不斷研究光纖激光器的被動調Q方式，以從光纖激光器中獲取重復率較高的納秒脈沖。近年來，碳納米管和SESAM（半導體可飽和吸收鏡）等調Q技術開始在光電子領域中應用，但由于損傷閾值過低等缺陷，迄今還未在商業方面得到應用［1-2］。石墨烯是一種新型的可飽和吸收材料，具有較高的損傷閾值、較大的調制深度和較小的可飽和光強等優點［3-5］。自2009年開始，國內外陸續報道了諸多關于石墨烯制作成可吸收體，形成光纖激光器鎖模與調Q技術［6-8］。本文成功進行了石墨烯的摻鉺光纖激光器調Q運轉實驗，在抽運功率為460 m W時，可得輸出功率為13.8 m W、中心波長為1 558 nm、重復頻率為77 k Hz、脈沖寬度為800 ns的激光輸出。

1 石墨烯可飽和吸收體的制作過程

制作過程中石墨烯分散液里包含的溶劑為日N-甲基-2吡咯烷酮，首先在石墨粉中加入氧化劑，直到其被氧化，再將其放入到微波中還原，最后在溶劑中進行球磨，以獲取≤10層的石墨烯分散液。

圖1所示為樣品吸收率與入射激光功率的關系。由圖可知，樣品吸收率隨入射功率的增大而降低，在入射功率為300 m W時開始趨于平穩。實驗結果表明，該樣品具有可飽和吸收性。

圖1 樣品吸收率與入射激光功率的關系

2 實驗裝置

圖2所示為石墨烯被動調Q鎖模摻鉺光纖激光器裝置圖。將裝在石英比色皿內的石墨烯分散液放在不同的光纖準直器中，制作成具有飽和性的吸收器件。再將其放入由EDF（摻鉺光纖）和SMF（單模光纖）組成的環形腔中。激光器的抽運源為JDSU976 nm半導體激光器，尾纖最大輸出光功率為560 m W。該抽運源通過980 nm/1 550 nm WDM（波分復用器）耦合進入環形腔。偏振相關ISO（隔離器）可使腔內運轉光在單方向運轉，其與PC（偏振控制器）一起用于調Q和鎖模脈沖的優化，激光脈沖從耦合器的20%端輸出。

采用InGa As光電探測器來測量輸出脈沖的量值，經轉換后再將其輸入到數字示波器中觀察調Q脈沖的波形情況。

圖2 石墨烯被動調Q摻鉺光纖激光器裝置圖

3 實驗結果與分析

實驗中，當抽運功率較小時，只有連續光輸出。增大抽運功率并仔細調節PC，當抽運功率為48 m W時，示波器上開始出現調Q脈沖，但此時的脈沖寬度較大，穩定性較差，如圖3所示。由圖中可以看出，此時脈沖間隔為32μs，即重復頻率為31 k Hz，平均輸出功率約為0.8 m W。保持PC狀態不變，逐漸增大抽運功率，發現脈沖序列的時間抖動和振幅抖動均越來越小，輸出趨于穩定。隨著抽運功率的增大，脈沖重復頻率從31 k Hz增加到77 k Hz，輸出功率從0.8 m W增加到13.8 m W，如圖4所示 。在抽運功率增大的同時，脈沖寬度也逐漸減小。在不改變激光腔內其他器件的情況下，將激光器的耦合輸出增加到30%，測試此時輸出的脈沖情況，結果表明，從耦合器30%端輸出的脈寬變寬、重復頻率下降、平均功率升高、單脈沖能量升高。

圖3 抽運功率48 mW時調Q光纖激光器輸出脈沖串

圖4的曲線也可以理解為:隨著抽運功率不斷提升，抽運速率會隨之增大，反轉粒子數也會提升，峰值光子數增加，調Q脈沖發生變化的時間大大縮短，脈沖也隨之變窄。隨著抽運功率提高，可飽和吸收體的增益增加，而調Q脈沖的產生依賴于可飽和吸收體的飽和狀態，故脈沖重復頻率隨著抽運功率的增大而增大。同時將脈沖重復頻率、脈沖寬度與相關計算方法相結合也可解釋為何脈沖能量、平均輸出功率隨抽運功率的增大呈線性變化。該分析過程也可以解釋改變耦合輸出比后調Q脈沖變化的規律。

圖4 重復頻率及輸出功率與抽運功率的關系

抽運功率增大到460 m W時調Q光纖激光器的輸出激光脈沖串和激光單脈沖圖分別如圖5和圖6所示。由圖可以看出，此時的激光重復頻率為77 k Hz，脈沖寬度為800 ns。

圖5 抽運功率460 m W時調Q光纖激光器輸出脈沖串

圖6 脈寬為800 ns的1 558 nm信號光的脈沖波形

圖7 所示為脈沖的輸出光譜圖，通過分辨率為0.02 nm的光譜分析儀測得其中心波長為1 558 nm，3 dB光譜帶寬為0.94 nm。由圖7可知，當抽運功率超過460 m W時，脈沖寬度呈縮小趨勢，但調Q脈沖穩定性會變得極差。如果想縮小腔長，則必須采用系數更高的光纖及線性腔結構，才能得到更小的調Q脈沖。同時可通過改變輸出比或者優化石墨烯的深度，讓輸入的脈沖寬度變得更窄，從而輸出更大功率的信號光。

圖7 脈沖的輸出光譜圖

4 結束語

介紹了一種以石墨烯分散液作為可飽和吸收體的被動調Q摻鉺光纖激光器。抽運功率在48～460 m W范圍內時，可得重復頻率為31～77 k Hz的調Q脈沖，最大平均輸出功率為13.8 m W，最窄脈沖寬度為800 ns，相應的單脈沖能量為68.5 nJ；平均輸出功率、重復頻率與抽運功率近似呈線性關系。實驗中還發現，當耦合輸出鏡的比例增加時，輸出脈沖會變寬，平均功率及單脈沖能量也會得到提升，而重復頻率會下降。石墨烯飽和光強度小、恢復能力強及可飽和吸收范圍與波長無關等優點使之能夠替代SESAM和SWNT（碳納米管）等材料制作新型的激光鎖模。

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［3］宋浩青，楊愛英.石墨烯被動調Q光纖激光器的研究進展［J］.激光與紅外，2013，43（2）:137-142.

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Passively Q-Switched Erbium-Doped Fiber Laser with Graphene-Based Saturable Absorber

XIE Biao
（School of Electronic Technology，Wuxi Professional College of Science and Technology，Wuxi 214028，China）

The graphene-based passively Q-switched erbium-doped fiber laser is reported.The laser adopts ring cavity configuration，and the Q-switcher is the self-made graphene absorber.Stable Q-switcher pulse train occurs at about 0.8 mW incident pump power and the pulse repetition rate is 31 k Hz.The maximum average output power of 13.8 mW is obtained when pump power rise to 460 m W with corresponding pulse width of 800 ns，repetition rate of 77 k Hz，and central wavelength of 1 558 nm.Furthermore，we also explain the phenomenon that the repetition rate，average output power and incident pump power having approximate linear relationship.

graphene；erbium-doped fiber；saturable absorber；passively Q-switched

TN248

A

1005-8788（2016）05-0068-03

10.13756/j.gtxyj.2016.05.020

2016-06-23

謝彪（1974-），男，江蘇揚州人。講師，碩士研究生，主要研究方向為光電子技術。