基于MoS2可飽和吸收體的 Nd:GYSGG激光器雙波長(zhǎng)調(diào)Q及鎖模的研究①

王貝貝 高雅靜 高叢叢 張丙元

(聊城大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院，山東省光通信科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東聊城252059)

基于MoS2可飽和吸收體的 Nd:GYSGG激光器雙波長(zhǎng)調(diào)Q及鎖模的研究①

王貝貝 高雅靜 高叢叢 張丙元

(聊城大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院，山東省光通信科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東聊城252059)

利用真空蒸鍍法制備了MoS2可飽和吸收體，研究了Nd∶GYSGG激光器在1 057.28 nm和1 060.65 nm的雙波長(zhǎng)調(diào)Q及鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)特性．在泵浦功率為4 W時(shí)獲得重復(fù)頻率為51 kHz，最小脈沖寬度為831 ns的調(diào)Q激光脈沖，以及重復(fù)頻率為83 MHz,脈沖寬度約為260 ps的調(diào)Q鎖模激光脈沖．激光器調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)的最大輸出功率為0.25 W，相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為6.25%，得到最大單脈沖能量為4.9 μJ．測(cè)得鎖模脈沖最大輸出功率為0.167 W,相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)化效率為3.96%．

被動(dòng)調(diào)Q，MoS2可飽和吸收體，Nd:GYSGG，雙波長(zhǎng)輸出

0 引言

自1960年第一臺(tái)激光器問世以來，激光技術(shù)不斷發(fā)展．超短脈沖技術(shù)作為一個(gè)重要的發(fā)展方向也得到快速發(fā)展．超短脈沖以脈沖寬度窄、峰值功率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、生物學(xué)、激光光譜學(xué)、材料學(xué)、軍事技術(shù)、通訊技術(shù)等眾多領(lǐng)域之中．要獲得超短脈沖，一般利用調(diào)Q、鎖模技術(shù)來實(shí)現(xiàn)．作為被動(dòng)調(diào)Q及鎖模的最重要元件可飽和吸收體自誕生以來備受關(guān)注[1].人們不斷探索利用具有非線性吸收特性的新型材料來制作可飽和吸收體[2-4]．自2004年石墨烯被Novoselov KS Geim AK[5]發(fā)現(xiàn)以來，成為人們研究的重點(diǎn)．獨(dú)特的狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)使其具有許多優(yōu)異特性，但也正是這個(gè)零帶隙結(jié)構(gòu)限制了其在電子器件中的應(yīng)用[6]．隨著材料技術(shù)的發(fā)展，人們開始研究二維過渡金屬硫化物(TDMs)的光學(xué)調(diào)制特性．二硫化鉬晶體結(jié)構(gòu)有三種，共同點(diǎn)是每一層二硫化鉬都由兩層硫原子夾一層鉬原子所構(gòu)成．其中的鉬原子和硫原子之間以共價(jià)鍵結(jié)合，而各層之間的結(jié)合力主要是較弱的范德華力．這種材料的帶隙與層數(shù)密切相關(guān)，多層時(shí)表現(xiàn)為間接帶隙，少層或單層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為直接帶隙[7]．這就彌補(bǔ)了石墨烯材料的“先天不足”[8,9]，極大地激發(fā)了研究人員對(duì)二硫化鉬可飽和吸收特性的研究．科研人員從塊狀二硫化鉬晶體中剝離出納米層，研究了這些納米層的光電性質(zhì)[10,11]，發(fā)現(xiàn)二硫化鉬納米層具有很好的非線性光學(xué)特性，非常適合用來進(jìn)行光學(xué)調(diào)制．2013年，Wang Kangpeng等人利用開孔Z掃描方法測(cè)試了二硫化鉬的超快非線性光學(xué)特性，利用摻鈦藍(lán)寶石鎖模激光器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量．結(jié)果表明，二硫化鉬納米片具有極好的可飽和吸收特性[12]．2014年Wang S X等人研究得出二硫化鉬的寬帶波長(zhǎng)可飽和吸收特性較石墨烯、氧化石墨烯的可飽和吸收能力更為優(yōu)異[13]．近幾年內(nèi)，以二硫化鉬作為可飽和吸收體的光纖及固體激光器紛紛開始被報(bào)道[14]．我們實(shí)驗(yàn)室成員Wang Guoju等人利用二硫化鉬可飽和吸收體分別實(shí)現(xiàn)了Nd:GdTaO4和Nd:YVO4激光器的調(diào)Q和調(diào)Q鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)[15,16]．本文設(shè)計(jì)了基于二硫化鉬可飽和吸收體的半導(dǎo)體泵浦的Nd:GYSGG激光器，實(shí)現(xiàn)了在1 057.28 nm和1 060.65 nm處的雙波長(zhǎng)調(diào)Q及鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)．

1 二硫化鉬可飽和吸收體的制備

利用真空蒸鍍法制備二硫化鉬．具體操作為：首先將丙酮和無水乙醇按1∶2的比例配成清洗液．將長(zhǎng)20 mm×10 mm×1 mm的石英片放入清洗液中超聲30 min，取出干燥．然后將處理好的石英片固定在基片上，取0.02 g 純度為99%的二硫化鉬粉末均勻置于真空蒸鍍室的蒸發(fā)舟中．將真空蒸鍍室的真空度設(shè)為5.0×10-4pa，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空操作．待真空度抽至工作壓強(qiáng)后增加蒸發(fā)器的電流，每增加50 A暫停1 min，直到190 A時(shí)停止增加電流，并在該電流下繼續(xù)蒸鍍5 h后即制成了所需的可飽和吸收體．如圖1所示，通過測(cè)試可飽和吸收體的紫外-可見-近紅外透射譜發(fā)現(xiàn)，在1 064 nm附近二硫化鉬可飽和吸收體的透過率為91.7% 左右．

圖1 二硫化鉬可飽和吸收體的紫外-可見-近紅外透射譜

圖2 調(diào)Q實(shí)驗(yàn)裝置圖

2 調(diào)Q實(shí)驗(yàn)研究

調(diào)Q實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示．激光器的諧振腔為簡(jiǎn)單的平-平腔，諧振腔腔長(zhǎng)為18 mm．實(shí)驗(yàn)用的泵浦源為光纖耦合半導(dǎo)體激光器(中心波長(zhǎng)為808 nm)．經(jīng)光纖導(dǎo)入聚焦系統(tǒng)后把泵浦光聚焦到增益介質(zhì)上．系統(tǒng)所用的增益介質(zhì)為Nd：GYSGG,尺寸為3×3×5 mm3．晶體側(cè)面用銦箔包裹，晶座用22℃的水冷卻．如圖中所示，平鏡M1為輸入鏡，鏡面鍍有對(duì)808 nm高透和1 064 nm高反的光學(xué)薄膜．輸出鏡OC(Output Coupler)是平面鏡，對(duì)1 064 nm激光的透過率為3%．實(shí)驗(yàn)中利用激光功率計(jì)(LP-3C)記錄激光器的輸出功率．利用快速光電管(ET-3000)和示波器(Agilent DSO54832b)記錄脈沖序列和單脈沖波形，示波器的帶寬為1 GHz，采樣率為4 GSa/s．

圖3 (a)調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)泵浦功率與輸出功率的關(guān)系;(b)調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)脈沖寬度和重復(fù)頻率隨泵浦功率的變化關(guān)系

圖4 調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的輸出光譜

首先，調(diào)整晶體及腔鏡的位置，實(shí)現(xiàn)激光器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)．然后將二硫化鉬可飽和吸收體插入諧振腔中，調(diào)節(jié)可飽和吸收體的位置，即可得到穩(wěn)定的調(diào)Q脈沖輸出．圖3(a)給出了輸出功率隨泵浦功率的變化規(guī)律．從圖中可以看出單脈沖能量隨著泵浦功率的增加而增加．當(dāng)泵浦功率為4 W時(shí)，得到最大單脈沖能量為4.9 μJ，調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)的最大輸出功率為0.25 W．相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率分別為6.25%．在泵浦功率從3 W增加到4 W過程中，單脈沖能量范圍變化為3.7-4.9 μJ．

激光的脈沖寬度和重復(fù)頻率隨著泵浦功率的變化曲線如圖3(b)所示 ．從圖3(b)可以看出激光的重復(fù)頻率會(huì)隨著泵浦功率的增加而增加，但脈沖寬度會(huì)隨著泵浦功率的增加而減少．當(dāng)泵浦功率為4 W時(shí)測(cè)得最短脈沖寬度為831 ns，其對(duì)應(yīng)脈沖序列的重復(fù)頻率為51 kHz．

圖4為利用光譜儀(HR2000+)測(cè)得調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的輸出光譜．從光譜看出，激光器以雙波長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)．振蕩的兩條譜線分別位于1 057.28 nm和1 060.65 nm，兩譜線的間隔為3 nm．實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)兩波長(zhǎng)能夠保持穩(wěn)定振蕩，兩光強(qiáng)度大致相等，但是由于模式競(jìng)爭(zhēng)，兩個(gè)峰的相對(duì)強(qiáng)度略有抖動(dòng)．

圖5 (a)調(diào)Q脈沖序列;(b)調(diào)Q單脈沖波形

圖5(a)和圖5(b)分別為調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)的脈沖序列和單個(gè)脈沖波形．實(shí)驗(yàn)過程中，通過示波器觀測(cè)，激光器的調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)非常穩(wěn)定，脈沖抖動(dòng)很?。?dāng)泵浦功率為4 W，輸出率為3%時(shí)，獲得的脈沖寬度為831 ns，重復(fù)頻率為51 kHz，對(duì)應(yīng)的單脈沖能量4.9 μJ．

3 調(diào)Q鎖模實(shí)驗(yàn)研究

圖6 調(diào)Q鎖模實(shí)驗(yàn)裝置圖

利用MoS2作為可飽和吸收體對(duì)Nd：GYSGG晶體的鎖模特性進(jìn)行了研究．鎖模實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，采用Z型腔，腔長(zhǎng)約為1.8 m．泵浦光通過聚焦系統(tǒng)入射到晶體內(nèi)，晶體兩面均鍍有1 064 nm和808 nm增透的光學(xué)薄膜．圖6中所示的 M和OC是平鏡，平面鏡M鍍有1 064 nm高反膜和808 nm高透膜，M1和M2是曲率半徑為400 mm的凹面鏡，鏡面鍍有1 064 nm高反膜，輸出鏡OC對(duì)1 064 nm激光的透過率為3%．

泵浦功率為4W時(shí)，激光器以調(diào)Q鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)．隨著功率的增加激光器并未有實(shí)現(xiàn)連續(xù)鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)．調(diào)Q鎖模脈沖包絡(luò)和包絡(luò)中的調(diào)Q鎖模脈沖序列分別如圖7(a)和7(b)所示．在調(diào)Q包絡(luò)中的鎖模序列重復(fù)頻率為83 MHz．

由于激光器處于調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)，無法直接進(jìn)行脈沖寬度測(cè)量，因此對(duì)其進(jìn)行了估計(jì)運(yùn)算．鎖模的脈沖寬度用下面的公式計(jì)算[17,18]

其中treal為實(shí)際脈沖的上升沿時(shí)間，tmeasure為測(cè)量到的脈沖的上升沿時(shí)間，tprobe是光電管自身的上升沿時(shí)間，toscilloscope指的是示波器的上升沿時(shí)間．在我們的實(shí)驗(yàn)中，脈沖的平均上升沿時(shí)間為 0.57 ns，示波器的上升沿時(shí)間是0.28 ns 光電管自身的上升沿時(shí)間是0.175 ns．脈沖寬度一般為上升沿時(shí)間的1.25倍，所以脈沖寬度約為260 ps.

圖7 (a)調(diào)Q脈沖包絡(luò)；(b)調(diào)Q鎖模序列

4 結(jié)論

利用真空蒸鍍法制備了二硫化鉬可飽和吸收體，并利用其在Nd:GYSGG激光器上實(shí)現(xiàn)了1 057.28 nm和1 060.65 nm雙波長(zhǎng)調(diào)Q及調(diào)Q鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)．在泵浦功率為4 W時(shí)，測(cè)得調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最大輸出功率為0.25 W，光光轉(zhuǎn)化效率為6.25%，并獲得了脈沖寬度為831 ns，單脈沖能量為4.9 μJ的單脈沖激光．在泵浦功率為4 W時(shí)，獲得了脈沖寬度約為260 ps調(diào)Q鎖模脈沖序列，最大輸出功率為0.167 W，光光轉(zhuǎn)換效率為3.96%．實(shí)驗(yàn)表明二硫化鉬可飽和吸收體是非常有潛力的鎖模器件，通過進(jìn)一步優(yōu)化制備工藝一定能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)．

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Passively Q-switched and Mode-locked Nd:GYSGG Laser Using Molybdenum Disulfide(MoS2) as a Saturable Absorber

WANG Bei-bei GAO Ya-jing GAO Cong-cong ZHANG Bing-yuan

(School of Physics and Information Engineering，Liaocheng University，Liaocheng 252000，China)

Passively Q-switching and mode-locking performance of Nd:GYSGG crystal using molybdenum disulfide (MoS2) as a saturable absorber at 1057.28 nm and 1 060.65 nm was demonstrated for the first time. The few-layer MoS2saturable.absorber was prepared by Vacuum evaporation deposition on glass.Employing MoS2as saturable absorber,stable Q-switching and Q-switched modelocking operation was achieved.At the pump power of 4 W,the Q-switched laser pulse width is 831 ns,the rapetition rate is 51 kHz.The optical-optical conversion efficiency is 6.25%.With the pump power of 4 W,the Q-switched modelocked laser pulse width is about 260 ps,and the optical-optical conversion efficiency is 3.96%.

passivelyQ-switched, MoS2saturable absorber, Nd:GYSGG crystal ,dual wavelength outputs

2017-02-19

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0402105);山東省自然科學(xué)基金資助課題(ZR2014FL030)和泰山學(xué)者特別建設(shè)項(xiàng)目基金資助

張丙元,E-mail:byzhang@lcu.edu.cn.

TN243

A

1672-6634(2017)02-0030-05