石墨烯被動(dòng)調(diào)Q摻鉺光纖激光器的實(shí)驗(yàn)研究

謝 彪

（無錫科技職業(yè)學(xué)院電子技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫 214028）

石墨烯被動(dòng)調(diào)Q摻鉺光纖激光器的實(shí)驗(yàn)研究

謝 彪

（無錫科技職業(yè)學(xué)院電子技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫 214028）

介紹了一種基于石墨烯的被動(dòng)調(diào)Q摻鉺光纖激光器。調(diào)Q器件為自備的石墨烯可飽和吸收液，腔體結(jié)構(gòu)為環(huán)形腔。當(dāng)抽運(yùn)功率為48 mW時(shí)，可以得到穩(wěn)定的重復(fù)頻率為31 k Hz的調(diào)Q脈沖，平均輸出功率為0.8 mW；當(dāng)抽運(yùn)功率增加到460 m W時(shí)，最大平均輸出功率為13.8 mW，重復(fù)頻率為77 k Hz，脈沖寬度為800 ns，光譜的中心波長(zhǎng)為1 558 nm。平均輸出功率、重復(fù)頻率與抽運(yùn)功率近似呈線性關(guān)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(dòng)調(diào)Q

0 引 言

當(dāng)前，人們不斷研究光纖激光器的被動(dòng)調(diào)Q方式，以從光纖激光器中獲取重復(fù)率較高的納秒脈沖。近年來，碳納米管和SESAM（半導(dǎo)體可飽和吸收鏡）等調(diào)Q技術(shù)開始在光電子領(lǐng)域中應(yīng)用，但由于損傷閾值過低等缺陷，迄今還未在商業(yè)方面得到應(yīng)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(diào)制深度和較小的可飽和光強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［3-5］。自2009年開始，國(guó)內(nèi)外陸續(xù)報(bào)道了諸多關(guān)于石墨烯制作成可吸收體，形成光纖激光器鎖模與調(diào)Q技術(shù)［6-8］。本文成功進(jìn)行了石墨烯的摻鉺光纖激光器調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，在抽運(yùn)功率為460 m W時(shí)，可得輸出功率為13.8 m W、中心波長(zhǎng)為1 558 nm、重復(fù)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(jìn)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(guān)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(shí)開始趨于平穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guān)系

2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2所示為石墨烯被動(dòng)調(diào)Q鎖模摻鉺光纖激光器裝置圖。將裝在石英比色皿內(nèi)的石墨烯分散液放在不同的光纖準(zhǔn)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(huán)形腔中。激光器的抽運(yùn)源為JDSU976 nm半導(dǎo)體激光器，尾纖最大輸出光功率為560 m W。該抽運(yùn)源通過980 nm/1 550 nm WDM（波分復(fù)用器）耦合進(jìn)入環(huán)形腔。偏振相關(guān)ISO（隔離器）可使腔內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)光在單方向運(yùn)轉(zhuǎn)，其與PC（偏振控制器）一起用于調(diào)Q和鎖模脈沖的優(yōu)化，激光脈沖從耦合器的20%端輸出。

采用InGa As光電探測(cè)器來測(cè)量輸出脈沖的量值，經(jīng)轉(zhuǎn)換后再將其輸入到數(shù)字示波器中觀察調(diào)Q脈沖的波形情況。

圖2 石墨烯被動(dòng)調(diào)Q摻鉺光纖激光器裝置圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)抽運(yùn)功率較小時(shí)，只有連續(xù)光輸出。增大抽運(yùn)功率并仔細(xì)調(diào)節(jié)PC，當(dāng)抽運(yùn)功率為48 m W時(shí)，示波器上開始出現(xiàn)調(diào)Q脈沖，但此時(shí)的脈沖寬度較大，穩(wěn)定性較差，如圖3所示。由圖中可以看出，此時(shí)脈沖間隔為32μs，即重復(fù)頻率為31 k Hz，平均輸出功率約為0.8 m W。保持PC狀態(tài)不變，逐漸增大抽運(yùn)功率，發(fā)現(xiàn)脈沖序列的時(shí)間抖動(dòng)和振幅抖動(dòng)均越來越小，輸出趨于穩(wěn)定。隨著抽運(yùn)功率的增大，脈沖重復(fù)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(yùn)功率增大的同時(shí)，脈沖寬度也逐漸減小。在不改變激光腔內(nèi)其他器件的情況下，將激光器的耦合輸出增加到30%，測(cè)試此時(shí)輸出的脈沖情況，結(jié)果表明，從耦合器30%端輸出的脈寬變寬、重復(fù)頻率下降、平均功率升高、單脈沖能量升高。

圖3 抽運(yùn)功率48 mW時(shí)調(diào)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(yùn)功率不斷提升，抽運(yùn)速率會(huì)隨之增大，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)也會(huì)提升，峰值光子數(shù)增加，調(diào)Q脈沖發(fā)生變化的時(shí)間大大縮短，脈沖也隨之變窄。隨著抽運(yùn)功率提高，可飽和吸收體的增益增加，而調(diào)Q脈沖的產(chǎn)生依賴于可飽和吸收體的飽和狀態(tài)，故脈沖重復(fù)頻率隨著抽運(yùn)功率的增大而增大。同時(shí)將脈沖重復(fù)頻率、脈沖寬度與相關(guān)計(jì)算方法相結(jié)合也可解釋為何脈沖能量、平均輸出功率隨抽運(yùn)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(diào)Q脈沖變化的規(guī)律。

圖4 重復(fù)頻率及輸出功率與抽運(yùn)功率的關(guān)系

抽運(yùn)功率增大到460 m W時(shí)調(diào)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(shí)的激光重復(fù)頻率為77 k Hz，脈沖寬度為800 ns。

圖5 抽運(yùn)功率460 m W時(shí)調(diào)Q光纖激光器輸出脈沖串

圖6 脈寬為800 ns的1 558 nm信號(hào)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(cè)得其中心波長(zhǎng)為1 558 nm，3 dB光譜帶寬為0.94 nm。由圖7可知，當(dāng)抽運(yùn)功率超過460 m W時(shí)，脈沖寬度呈縮小趨勢(shì)，但調(diào)Q脈沖穩(wěn)定性會(huì)變得極差。如果想縮小腔長(zhǎng)，則必須采用系數(shù)更高的光纖及線性腔結(jié)構(gòu)，才能得到更小的調(diào)Q脈沖。同時(shí)可通過改變輸出比或者優(yōu)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(hào)光。

圖7 脈沖的輸出光譜圖

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹了一種以石墨烯分散液作為可飽和吸收體的被動(dòng)調(diào)Q摻鉺光纖激光器。抽運(yùn)功率在48～460 m W范圍內(nèi)時(shí)，可得重復(fù)頻率為31～77 k Hz的調(diào)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(yīng)的單脈沖能量為68.5 nJ；平均輸出功率、重復(fù)頻率與抽運(yùn)功率近似呈線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)耦合輸出鏡的比例增加時(shí)，輸出脈沖會(huì)變寬，平均功率及單脈沖能量也會(huì)得到提升，而重復(fù)頻率會(huì)下降。石墨烯飽和光強(qiáng)度小、恢復(fù)能力強(qiáng)及可飽和吸收范圍與波長(zhǎng)無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)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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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(yáng)州人。講師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣怆娮蛹夹g(shù)。