基于鉍納米片可飽和吸收被動調Q 中紅外單晶光纖激光器*

郝倩倩 宗夢雨 張振 黃浩 張峰劉杰 劉丹華 蘇良碧 張晗

1) (山東師范大學物理與電子科學學院, 山東省光場調控中心, 山東省光學與光子器件重點實驗室, 濟南 250358)

2) (山東師范大學, 光場調控與應用協同創新中心, 濟南 250358)

3) (中國科學院上海硅酸鹽研究所人工晶體研究中心, 中國科學院透明光功能無機材料重點實驗室, 上海 201899)

4) (深圳大學物理與光電工程學院, 深圳 518060)

鉍納米片作為一種新型二維材料, 具有合適的帶隙、較高的載流子遷移率和較好的室溫穩定性, 加上優異的電學和光學特性, 是實現中紅外脈沖激光的有效調制器件. 中紅外單晶光纖兼備晶體和光纖的優勢, 是實現高功率激光的首選增益介質. 本文采用超聲波法成功制備了鉍納米片可飽和吸收體, 并首次將其用于二極管抽運Er:CaF2 單晶光纖中紅外被動調Q 脈沖激光器中. 在吸收抽運功率為1.52 W 時, 獲得平均輸出功率為190 mW 的脈沖激光, 最窄脈沖寬度為607 ns, 重復頻率為58.51 kHz, 對應的單脈沖能量和峰值功率分別為3.25 μJ 和5.35 W. 結果表明, 使用鉍納米片作為可飽和吸收體, 是實現結構緊湊的小型中紅外單晶光纖脈沖激光的有效技術途徑.

1 引 言

中紅外脈沖激光在生物醫學、環境監測、空間探測和非線性光譜學等領域有著廣泛應用, 是當前激光研究領域的熱點[1,2]. 在中紅外波段, Tm3+,Ho3+和Er3+是產生2—5 μm 波段激光的常見稀土離子[3,4]. Er3+能級結構豐富, 在4I11/2和4I13/2態之間躍遷產生的輻射波長位于2.7—3 μm 范圍內[5].半導體激光器直接抽運的摻鉺全固態激光器具有成本低、結構緊湊等優點[6], 在中紅外波段頗具競爭力. 單晶光纖作為一種新型激光材料具有熱導率高、非線性效應小、摻雜濃度高等優勢, 加上體積小、重量輕、抽運導向好等優點而受到廣泛關注[7,8],上述優點使得單晶光纖產生激光的性能優于對應的塊狀晶體. 另外, 單晶光纖是介于塊狀單晶和玻璃光纖之間的中間材料. 與玻璃光纖相比, 單晶光纖具有較低的受激布里淵散射截面和較高的熱導率, 另外利用單晶光纖縮短激光諧振腔長度可以增大激光腔模, 這意味著單晶光纖激光器可以獲得更高的功率[9,10]. 基于這些優點, Er 摻雜單晶光纖是一種很有前途的中紅外激光材料. 2019 年, 使用溫度梯度技術生長的Er:SrF2單晶光纖實現了連續激光運轉, 輸出激光最高功率為860 mW, 對應的斜率效率為34.9%[11]. 據我們所知, 目前還沒有基于Er 摻雜單晶光纖的脈沖激光報道.

調Q技術是獲得脈沖激光的重要技術手段.與主動調Q相比, 被動調Q具有結構簡單、結構緊湊、價格低廉、性能可靠等優點. 近年來, 石墨烯[12?15]、過渡金屬硫化物[16?19]、黑磷[20?23]、拓撲絕緣體[24,25]等二維材料以其恢復時間快、調制深度可控、制作方便、吸收帶寬寬等特點, 在非線性光學領域引起了廣泛關注[26?28]. 隨著二維材料生長制備技術的不斷發展, 二維材料作為可飽和吸收體被越來越多地應用到被動調Q激光器中[29?31].鉍納米片(bismuth nanosheets: Bi-NSs)作為一種新型的二維材料具有獨特的光電特性, 加上合適的帶隙、較高的載流子遷移率、較高的損傷閾值和良好的穩定性, 使Bi-NSs 可作為性能優越的可飽和吸收體[32]. 2018 年Lu 等[33]在1559 nm 光纖激光器中首次證明了Bi-NSs 的飽和吸收特性. 近期本課題組又利用Bi-NSs 作為可飽和吸收體, 在固體激光器中實現了被動調Q脈沖激光運轉[32,34,35]. 但據我們所知, 目前Bi-NSs 在中紅外單晶光纖激光器中的應用還未見報道.

本文首次將Bi-NSs 作為可飽和吸收體用于單晶光纖激光器中, 成功實現了二極管抽運Er:CaF2單晶光纖的中紅外脈沖激光輸出. 在2.8 μm 波長附近, 獲得了穩定的被動調Q脈沖激光運轉, 最窄脈沖寬度為607 ns, 最高重復頻率為58.51 kHz, 對應的單脈沖能量和峰值功率分別為3.25 μJ 和5.35 W.

2 實驗設計與裝置

如圖1 所示, 設計了結構緊湊的凹平直線諧振腔, 開展了Bi-NSs 作為可飽和吸收體的Er:CaF2單晶光纖被動調Q脈沖激光特性研究. 抽運源是光纖耦合的半導體激光器, 光纖芯徑105 μm, 數值孔徑為0.22, 其中心發射波長為976 nm. 抽運光通過一個耦合比為1∶2 的耦合準直系統后聚焦到增益介質前端. 增益介質是采用溫度梯度法[36]生長的4 at.% Er:CaF2單晶光纖, 其兩端拋光但未鍍膜, 直徑為1.9 mm, 長度為10 mm. 為減少熱效應, 單晶光纖用銦箔緊密包裹后安裝在恒溫設定12 ℃的銅塊上. 輸入鏡為曲率100 mm 的平凹透鏡, 鍍有974 nm 抗反膜和2.9 μm 高反膜. 輸出鏡為不同透過率的平鏡, 對2.7—2.95 μm 波段激光的透過率分別為1%, 3%和5%. 腔長26 mm.可飽和吸收體Bi-NSs 的制備方法和形貌特征在我們之前的工作中做了詳細的介紹[34]. 以實驗室自主搭建的2.8 μm 納秒激光(50 kHz, 50 ns)為光源, 采用開孔Z 掃描方法研究了Bi-NSs 可飽和吸收體的非線性光學特性. 測得Bi-NSs 在2.8 μm 附近的調制深度和飽和通量分別為1.82%和3.59 kW/cm2[34].

圖1 Er:CaF2 單晶光纖連續激光和Bi-NSs 被 動 調Q 激光裝置圖Fig. 1. Schematic of Er:CaF2 single-crystal fiber continuous laser and Bi-NSs passively Q-switched laser.

3 實驗結果與討論

3.1 中紅外單晶光纖的連續激光特性

首先研究了Er:CaF2單晶光纖的連續激光特性. Er:CaF2單晶光纖對976 nm 抽運光的吸收率為77.3%. 激光輸出功率隨吸收抽運功率的變化如圖2 所示. 輸出鏡的透過率分別選用T= 1%,T=3%和T= 5%時, 對應的吸收抽運閾值功率分別為0.12 W, 0.18 W 和0.34 W. 當選用T= 3%的輸出鏡, 吸收抽運功率約為3.1 W 時, 獲得Er:CaF2單晶光纖的最大輸出激光功率為0.94 W, 激光斜效率為32.0%. 連續激光的光譜如圖3 所示, 使用1%, 3%和5%透過率的輸出鏡, 獲得的激光波長分別為2797.38 nm, 2751.65 nm 和2758.90 nm.

圖2 連續激光輸出功率隨吸收抽運功率的變化Fig. 2. Continuous-wave (CW) output power versus the absorbed pump power.

圖3 Er:CaF2 單晶光纖連續激光光譜Fig. 3. Spectra of Er:CaF2 single-crystal fiber continuous laser.

3.2 Bi-NSs 可飽和吸收被動調Q 中紅外激光特性

將Bi-NSs 作為可飽和吸收體插入諧振腔中,距離輸出耦合鏡約2 mm 處, 仔細微調吸收體的位置和角度獲得被動調Q中紅外脈沖激光輸出. 當吸收抽運功率達到約0.5 W 時, 調Q激光的脈沖重復頻率穩定、脈沖序列均勻. 在采用不同透過率的輸出鏡下, 平均輸出功率隨吸收抽運功率的變化如圖4 所示. 使用3%透過率的輸出鏡, 在吸收抽運功率1.52 W 時獲得調Q激光最大平均輸出功率為190 mW, 對應的斜效率為14.8%. 通過優化制冷系統和鏡面鍍膜工藝, 有望獲得更高的輸出功率和激光斜效率.

圖4 調Q 激光平均輸出功率隨吸收抽運功率的變化Fig. 4. Q-switched output power versus the absorbed pump power.

圖5(a)—(d)詳細描述了在不同透過率的輸出鏡下, 調Q脈沖激光的脈沖寬度、重復頻率、單脈沖能量、峰值功率隨吸收抽運光功率的變化. 脈沖寬度隨著抽運功率的增大逐漸減小, 重復頻率、單脈沖能量和峰值功率隨著抽運功率的增大不斷增大. 在三種輸出鏡透過率下, 吸收抽運功率1.52 W時獲得的最大輸出功率、最窄脈沖寬度、最高重復頻率、最大單脈沖能量以及最高峰值功率如表1 所列. 根據所得實驗數據可知, 在相同的實驗條件下,輸出鏡的最佳透過率為3%.

圖5 Er:CaF2 單晶光纖Bi-NSs 被動調Q 激光(a)脈沖寬度、(b)重復頻率、(c)單脈沖能量、(d)峰值功率隨吸收抽運光的變化Fig. 5. (a) Pulse duration, (b) repetition rate, (c) single pulse energy, and (d) peak power versus the absorbed pump power.

表1 吸收抽運功率1.52 W 時, 不同透過率下的調Q 激光特性Table 1. Q-switched laser characteristics at the absorption pump power of 1.52 W.

使用透過率為3%的輸出鏡, 在平均輸出功率最大時用示波器(Tektronix DPO4104, 1 GHz 帶寬)記錄的不同時間尺度下的調Q脈沖序列如圖6所示. 吸收抽運功率為1.52 W 時, 在1 ms/div 刻度下記錄重復率為58.51 kHz, 脈沖寬度為607 ns,與2 μs/div 刻度下記錄的單脈沖時間分布圖相吻合.

圖6 Er:CaF2 單晶光纖Bi-NSs 被動調Q 激光脈沖序列Fig. 6. Bi-NSs Q-switched pulse trains of Er:CaF2 singlecrystal fiber laser.

表2 總結了Er 摻雜氟化物晶體作為增益介質的調Q脈沖激光與本文工作的比較. 可以看出,Bi-NSs 作為可飽和吸收體與Er:CaF2單晶光纖作為增益介質相結合的調Q脈沖激光器, 可以獲得更短的脈沖寬度、較高的輸出功率和重復頻率. 隨著單晶光纖材料生長和Bi-NSs 制備技術的發展,相信進一步優化的中紅外單晶光纖脈沖激光器將獲得更加優異的性能參數.

4 結 論

本文報道了Bi-NSs 作為可飽和吸收體的二極管抽運Er:CaF2單晶光纖中紅外被動調Q脈沖激光器. 采用溫度梯度法生長的Er:CaF2單晶光纖作為增益介質, 實現近瓦級中紅外連續激光輸出. 將超聲波法制備的Bi-NSs 作為可飽和吸收體用于Er:CaF2單晶光纖中紅外調Q脈沖激光器中. 在吸收抽運功率為1.52 W 時, 獲得平均輸出功率為190 mW 的被動調Q激光輸出, 最窄脈沖寬度為607 ns, 重復頻率為58.51 kHz, 對應的單脈沖能量和峰值功率分別為3.25 μJ 和5.35 W. 結果表明,Er:CaF2單晶光纖具有優異的中紅外激光性能, 同時Bi-NSs 是一種很有前途的中紅外脈沖激光調制材料, 在超快光子學領域有很大的應用潛力.