大脈沖能量單層CVD石墨烯被動調Q摻鐿雙包層光纖激光器

吳 健,吳端端,黃義忠,羅正錢,許惠英,蔡志平

(廈門大學 信息科學與技術學院,光電子技術研究所,福建 廈門 361005)

光纖激光器具有轉換效率高、體積小、光束質量好、結構緊湊、散熱方便等優(yōu)點,已廣泛應用于光纖通信、材料加工、傳感等領域[1-3]．尤其是高功率、大脈沖能量、高穩(wěn)定度的脈沖光纖激光器,在工業(yè)加工、醫(yī)療、科學研究等領域有著廣闊的應用前景[4]．目前,被動調Q由于無需額外的電子Q開關器件,如聲光調Q器、電光調Q器,即可較廉價獲得高質量的調Q脈沖而備受青睞．被動調Q的關鍵在于插入到激光諧振腔中的可飽和吸收體,20多年來,已發(fā)現多種可飽和吸收體,包括過渡族金屬摻雜晶體、半導體可飽和吸收鏡(SESAM)、碳納米管(CNT)等[5-7]．但過渡族金屬摻雜晶體由于其塊狀結構而不利于全光纖化;SESAM雖然恢復時間快,穩(wěn)定性好,但其制備工藝復雜,成本高;CNT具有價格低廉,超快恢復時間等優(yōu)點,但其可飽和吸收波長取決于他的管徑,且制備時管徑可控性差,難以實現真正意義上的全波段可飽和吸收;因此尋找更為有益的可飽和吸收體顯得非常必要和迫切．自2004年被發(fā)現以來,石墨烯便掀起了世界范圍內的研究熱潮[8]．由于其獨特的二維蜂窩狀晶格和零帶隙狄拉克錐結構,石墨烯具有獨特的光學特性,作為可飽和吸收體時,具有可飽和閾值低、調制深度大、恢復時間快、超寬帶可飽和吸收等優(yōu)勢．2009年,Bao等[9]首次將石墨烯作為可飽和吸收體應用于摻鉺光纖激光器中,實現了鎖模激光輸出．2010年,廈門大學Luo等[10]首次利用石墨烯獲得了雙波長被動調Q摻鉺光纖激光器,其重復頻率為3.3～65.9 kHz可調,最小脈寬和最大單脈沖能量分別為3.7 μs和16.7 nJ．

目前報道的石墨烯調Q光纖激光器大多數采用多層石墨烯或者聚合物石墨烯[11-13],雖然多層石墨烯可以一定程度上增大其調制深度,但同時增加了其非飽和損耗,從而降低了石墨烯的損傷閾值,使用單層化學氣相沉法積(CVD)石墨烯具有非常低的非飽和損耗,其損傷閾值超大,并更能反映石墨烯的光學特性.另一方面,以往的石墨烯調Q光纖激光器大都采用單包層摻鉺或者摻鐿光纖作為增益介質[11-14],這大大限制了調Q激光的大脈沖能量獲得,因此本實驗采用摻鐿雙包層光纖作為增益介質,借助其超大增益,將有望實現高平均功率、大脈沖能量的全光纖石墨烯調Q光纖激光器．

本文利用單層CVD石墨烯作為可飽和吸收體,采用三明治結構,將其插入摻鐿環(huán)形腔中,實現了調Q光纖激光器．得益于石墨烯優(yōu)異的可飽和吸收特性和摻鐿雙包層超大增益和大比例激光輸出,獲得的調Q激光重復頻率為9.7～26.46 kHz可調,最大輸出功率為46 mW,最窄脈寬和最大單脈沖能量分別為4.5 μs和1.7 μJ.

1 實驗方案

1.1 單層CVD石墨烯調Q器制備

實驗用的單層石墨烯是通過CVD生長在銅箔上的,生長過程可參考文獻[15]．為將石墨烯插入激光腔中作為調Q器件,石墨烯需從銅箔轉移到光纖連接頭端面上,具體的轉移步驟如下:1) 裁剪一塊1 cm×1 cm大小的石墨烯銅箔片,通過勻膠機將聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)均勻涂覆在石墨烯表面;2) 浸泡至硫酸銨溶液直至銅箔完全溶解,同時在去離子水中清洗雜質;3) 以光纖連接頭端面承載PMMA/石墨烯薄膜,并在烘箱中烘干．獲得的PMMA/石墨烯光纖連接頭通過法蘭盤與另一個全新的光纖端頭連接便構成了實驗用的PMMA/石墨烯調Q器．保留PMMA,可以避免銅箔溶解過程中造成石墨烯塌陷,同時在光纖端頭連接中保護石墨烯．為表征獲得的石墨烯調Q器件,我們通過拉曼光譜分析儀測量了石墨烯的拉曼譜,如圖1所示,圖中直接扣除了PMMA的拉曼特征峰．從圖1可得,D峰非常微弱,說明獲得的石墨烯質量很高．2D峰的強度與G峰強度的比值大于2,并且2D峰的全半高寬度約為31.75 cm-1,表明獲得的石墨烯是單層的[16-17]．圖1的插圖是制備好的PMMA/石墨烯光纖連接頭,從圖中明顯可見,石墨烯確實轉移到了光纖端面．

圖1 石墨烯拉曼譜及PMMA/石墨烯光纖端面圖Fig.1 Raman spectrum of graphene with photograph of the PMMA/graphene fiber ferrule

1.2 摻鐿雙包層激光器設計

單層CVD石墨烯被動調Q摻鐿雙包層激光器實驗裝置圖如圖2所示．整個激光器采用環(huán)形腔結構,總腔長約10 m．975 nm半導體激光器(LD,BWT DS3-11312-112)作為泵浦源,其最大輸出功率為9 W,經過975 nm/1 064 nm合束器泵浦一段4 m長摻鐿雙包層光纖(YDCF)以獲得大脈沖能量調Q激光,F-P濾波器(Micron Optics Inc.Serial NO.10171)作為激射波長選擇器件插入腔內,隔離器保證腔內激光的順時針單向運行,偏振控制器用來調節(jié)腔內激光偏振,三明治結構的單層CVD石墨烯調Q器接入腔內以獲取高質量調Q脈沖．出于以下考慮:1) 盡量降低入射在石墨烯上的光強,以防止熱損傷和過早被“漂白”;2) 經過YDCF放大后,可獲得大功率激光輸出,我們將功率比為95∶5的耦合器放置在4 m YDCF后,其中95%端輸出調Q激光．實驗中,我們結合光譜儀(HP 70951B)、示波器(Tektronix TDS1012)和光電探測器、頻譜儀(GWINSTEK GSP-930)及功率計(THORLABS PM20CH)分別測量了調Q激光的光譜、時域脈沖、頻譜和輸出功率．

圖2 被動調Q光纖激光器裝置圖Fig.2 Schematic setup of the passively Q-switched fiber laser

2 實驗結果與分析

圖3 不同泵浦功率下調Q脈沖序列圖Fig.3 The various pulse trains obtained under different pump powers

實驗中,在沒有加入石墨烯調Q器時,無論是改變泵浦功率還是調節(jié)偏振控制器,均不能獲得調Q激光．腔內接入石墨烯調Q器后并逐漸增加泵浦功率,當泵浦功率為500.1 mW時,激光開始激射,調Q脈沖出現在518.4 mW．當泵浦功率為536.7，637.3，701.3，756.1 mW時,調Q脈沖序列分別如圖3中的(a)～(d)所示．從圖中可以看出,不同泵浦功率下,調Q序列幾乎沒有時間抖動,且振幅抖動都<5%,并且重復頻率隨著泵浦功率增加而增大,說明實驗中獲得的調Q激光非常穩(wěn)定．

圖4記錄了當泵浦功率為637.3 mW時，石墨烯調Q激光的典型光譜、脈沖序列、單脈沖和頻譜.由圖4(a)可知，調Q激光的中心波長為1 063.6 nm，其3 dB帶寬為0.06 nm，如此窄的光譜寬度是由所采用的F-P濾波器的帶寬所決定的，并且有利于抑制自鎖模的產生.與其對應得，此時調Q激光的重復頻率為17.59 kHz (如圖4(b)所示)，并且時間抖動非常小，圖4(c)記錄了相應的單脈沖形狀，其具有sech2型，并且其脈寬為4.8 μs，這與報道的CNT或者石墨烯調Q光纖激光器是相當的，由圖4(d)可知，調Q的信噪比約為35 dB，反映了該泵浦功率下，調Q脈沖是穩(wěn)定運行的.

圖5所示為調Q激光重復頻率、輸出功率、脈沖寬度和單脈沖能量隨泵浦功率的變化圖．從圖5(a)中可以看出,當泵浦功率從518.4 mW逐漸增加到756.1 mW時,重復頻率與輸出功率幾乎都是呈線性增大的,重復頻率在9.7～26.46 kHz之間連續(xù)可調,輸出功率也從6.45 mW逐步增加到46 mW．由圖5(b)中可知,脈沖寬度隨著泵浦功率的增加先是從15 μs線性減小至約4.5 μs并趨于飽和,這是由于在泵浦功率增加的過程中,石墨烯的吸收損耗逐漸減小,調制深度逐漸增加,使得脈沖寬度線性減小,但當泵浦功率達到一定值時,石墨烯達到飽和狀態(tài),即“漂白”狀態(tài),因此脈沖寬度趨于一個穩(wěn)定值．單脈沖能量隨著泵浦功率的增加,從0.8 μJ增加至最大值1.7 μJ并伴有下降趨勢,并由于石墨烯的“漂白”而達到飽和,這也是迄今為止在全光纖的石墨烯被動調Q激光器中所獲得的最大單脈沖能量,這歸因于YDCF的超大增益、單層CVD石墨烯的超低損耗和大比例的激光輸出．

(a)光譜；(b)脈沖序列；(c)單脈沖；(d)頻譜圖.圖4 泵浦功率為637.3 mW時,石墨烯調Q激光的典型譜圖Fig.4 The typical spectra of the graphene Q-switched fiber laser at pump power of 637.3 mW

圖5 重復頻率與輸出功率(a)及脈沖寬度與單脈沖能量隨泵浦功率變化圖(b)Fig.5 Repetition rate and output power (a) pulse width and single pulse energy (b) versus incident pump power

3 討 論

本文將CVD法生長的單層石墨烯通過PMMA從銅箔上轉移到光纖端面,并采用三明治結構,制備成PMMA/石墨烯調Q器,并將其插入到摻鐿雙包層環(huán)形腔激光器中,實現了全光纖結構、大脈沖能量、穩(wěn)定的調Q激光輸出．當泵浦功率從518.4 mW增加至756.1 mW,調Q激光重復頻率在9.7～26.46 kHz之間連續(xù)可調,脈沖寬度從15 ns減小至4.5 ns,最大輸出功率和單脈沖能量為46 mW，1.7 μJ,這主要歸因于單層石墨烯的超低損耗、YDCF的超強增益、大比例功率耦合輸出．進一步優(yōu)化激光器腔結構、增益光纖長度,改進石墨烯調Q器制作方法,將有望使用單層石墨烯實現更大輸出功率與單脈沖能量的被動調Q光纖激光器．

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