基于覆石墨烯錐型光纖可飽和吸收體的摻銩光纖激光器

王小發(fā)，顧 斌

(重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶高校光通信技術(shù)重點實驗室，重慶 400065)

0 引 言

摻銩光纖激光器(tm-doped fiber laser, TDFL)因其在激光醫(yī)療、遙感測量和光通信等領(lǐng)域的應(yīng)用而受到極大關(guān)注[1]。其中，鎖模摻銩光纖激光器作為獲得2 μm超短脈沖激光光源的一種重要方式，因其輸出脈沖能量大、峰值功率高、并處于人眼安全波段而展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力[2]。在鎖模摻銩光纖激光器中，鎖模態(tài)主要分為連續(xù)鎖模[3]、調(diào)Q鎖模[4]和類噪聲鎖模[5]。這3種鎖模態(tài)有各自的特點，其中連續(xù)鎖模可以產(chǎn)生超短脈沖，有較低的噪聲，調(diào)Q鎖模脈沖具有很高的峰值功率，而類噪聲鎖模脈沖具有很寬的光譜帶寬，并且能夠在長距離色散介質(zhì)中不失真的傳播。目前，實現(xiàn)上述3種鎖模狀態(tài)常用的可飽和吸收體分為以下2類：①以石墨烯、氧化石墨烯[6](graphene oxide, GO)、半導(dǎo)體可飽和吸收鏡[7](semiconductor saturable absorber mirror, SESAM)、碳納米管[8](carbon nanotubes, CNTs)等為代表的真實可飽和吸收體；②以非線性偏振旋轉(zhuǎn)[9](nonlinear polarization rotation, NPR)、非線性放大環(huán)形鏡[10](nonlinear magnifying circular mirror, NALM)和非線性光纖環(huán)鏡[11](nonlinear optical loop mirror, NOLM)為代表的人造可飽和吸收體。在真實可飽和吸收體材料中，石墨烯因其超快恢復(fù)時間、超寬工作波長以及低制作成本等諸多優(yōu)點[12]，在眾多鎖模材料中脫穎而出。鑒于石墨烯材料的諸多優(yōu)點，目前已開發(fā)的石墨烯鎖模器件結(jié)構(gòu)通常分為透射型和反射型2類，然而它們不但沒有實現(xiàn)真正意義上的全光纖結(jié)構(gòu)，而且還因損傷閾值低、插入損耗大、調(diào)制深度較低等諸多缺點使其在高功率鎖模光纖激光方面應(yīng)用受限。即便是真正意義上的全光纖D型結(jié)構(gòu)鎖模器件[13-14]，也會因為剖面不平整和結(jié)構(gòu)的不對稱性而引入較大的插入損耗和傳輸損耗。相比而言，基于覆石墨烯錐型微納光纖(graphene-covered-microfiber, GCM)可飽和吸收體在制作工藝、成本管理和損耗控制等方面都極具優(yōu)勢。GCM可飽和吸收體主要利用石墨烯材料對微納光纖錐腰部位倏逝場的非線性吸收來實現(xiàn)被動鎖模，在改善傳統(tǒng)鎖模器件調(diào)制深度過低的同時，還可以實現(xiàn)激光器的全光纖結(jié)構(gòu)?；贕CM可飽和吸收體的光纖激光器中產(chǎn)生鎖模脈沖已有一些相關(guān)報道[15-17]。2013年，盛等[15]報道了一種基于GCM可飽和吸收體的摻鉺光纖激光器，通過調(diào)節(jié)偏振控制器得到了調(diào)Q、調(diào)Q鎖模和連續(xù)鎖模3種不同工作狀態(tài)的輸出特性。文獻[15]中報道的光纖激光器以摻鉺光纖作為增益介質(zhì)，然而到目前為止，基于摻銩增益光纖的覆石墨烯鎖模激光器的相關(guān)報道還很少見。2016年，楊等[16]報道了一種基于GCM可飽和吸收體的可調(diào)諧摻銩光纖激光器，通過調(diào)節(jié)偏振控制器實現(xiàn)了波長在1880～1940 nm可調(diào)諧的鎖模脈沖。2017年，王等[17]報道了一種基于GCM可飽和吸收體的摻銩光纖激光器，通過增加石墨烯和錐型光纖相互作用長度來提高石墨烯的調(diào)制深度，最終產(chǎn)生了穩(wěn)定的孤子脈沖，其中，脈寬為0.98 ps，脈沖能量為544 pJ，信噪比為70 dB。文獻[16-17]中雖然采用了摻銩光纖作為增益介質(zhì)，并利用GCM作為鎖模器件成功實現(xiàn)了穩(wěn)定的鎖模脈沖輸出，但是并未觀察到調(diào)Q鎖模現(xiàn)象，而且對鎖模脈沖出現(xiàn)的具體演化規(guī)律還缺乏深入研究。

基于上述問題，本文報道了一種利用GCM作為鎖模器件的鎖模TDFL。通過調(diào)節(jié)泵浦功率(1～2.52 W)，實驗先后實現(xiàn)了連續(xù)激光、調(diào)Q鎖模脈沖和連續(xù)鎖模脈沖的輸出，并對調(diào)Q鎖模狀態(tài)下脈沖寬度和重復(fù)頻率隨泵浦功率變化之間的關(guān)系進行了定量研究，對連續(xù)鎖模狀態(tài)下的輸出特性進行了詳細分析，所得研究結(jié)果對基于GCM被動鎖模TDFL輸出動力學(xué)特性研究具有一定的指導(dǎo)價值。

1 摻銩鎖模光纖激光器結(jié)構(gòu)

圖1為基于GCM可飽和吸收體的鎖模TDFL實驗原理圖。該裝置以總腔長約為25 m的環(huán)形腔為基礎(chǔ)，泵浦源采用中心波長在793 nm附近，最大功率為12 W的半導(dǎo)體激光器(LD, BW-LD793-12S)，通過(2+1)×1的合束器(Combiner)將抽運光耦合進激光腔內(nèi)。隨后，耦合進腔內(nèi)的泵浦源被4.5 m長雙包層TDF(IXF-2CF-Tm-O-10-130, IXFiber)增益光纖(在793 nm處對應(yīng)的吸收率為5.6 dB/m)所吸收，通過一系列能級演化，最終釋放出2 μm波段光源。其中，隔離器(ISO)的加入用來確保腔內(nèi)光的單向傳輸，最終形成激光諧振。最終，激光由分光比為70：30光耦合器(OC)的30%端口輸出，并通過外接的功率計(7Z01560, OPHIR)、1 GHz數(shù)字采樣示波器(WaveRunner 610Zi, Lecroy)、光電探測器(ET-5000F, EOT)、分辨率為0.05 nm的光譜分析儀(AQ6375B, Yokogawa)和3 GHz帶寬的頻譜分析儀(FSL3, Rohde&Schwarz)完成對輸出激光相關(guān)特性的檢測。

2 GCM可飽和吸收體的原理與特性分析

在實驗研究中，對于錐形微納光纖的制作，采用目前較為成熟的“熔融拉錐技術(shù)”[18]，并在SCS-4000型拉錐機的幫助下制作完成，具體如圖2，通過調(diào)節(jié)步進電機轉(zhuǎn)速和氫氣流量，可以得到不同錐腰直徑的錐形光纖。最終，制備得到的錐形微納光纖錐腰直徑和過渡區(qū)長度分別為20 μm和1 cm。此外，在石墨烯薄膜的制備中，本文采用的是化學(xué)氣象沉積法[19]，并利用濕法轉(zhuǎn)移技術(shù)[20]將銅基底的石墨烯轉(zhuǎn)移到了聚二甲基硅烷(polydimethylsiloxane， PDMS)薄膜上，從而得到尺寸為1 cm×0.5 cm，厚度為1 mm的石墨烯/PDMS薄膜。通過前期制備的錐形微納光纖和石墨烯/PDMS薄膜，按照圖3b的構(gòu)建方式完成了圖3a覆石墨烯錐型微納光纖鎖模器件。其中，低折射率MgF2作為GCM的基片主要用來減少倏勢光的擴散。為檢驗該鎖模器件的鎖模性能，本文利用雙臂探測法[21]對GCM進行了可飽和吸收體特性的研究。

圖4為GCM可飽和吸收體非線性反射率隨平均輸入功率的變化曲線，從圖4中可以看出，GCM的調(diào)制深度和非飽和吸收損耗分別約6.6%和73.4%。

3 測試結(jié)果與分析

在不加入石墨烯的情況下，不管如何增加泵浦功率都得不到鎖模脈沖出現(xiàn)。將石墨烯/PDMS薄膜(1 cm×0.5 cm)覆蓋在拉錐光纖的錐區(qū)獲得GCM鎖模器件，通過增加泵浦功率，依次出現(xiàn)連續(xù)運行、調(diào)Q鎖模和連續(xù)鎖模3種狀態(tài)。圖5為激光器平均輸出功率隨泵浦功率的變化曲線圖。由圖5可見，當(dāng)泵浦功率從1 W逐漸增加到1.38 W時，激光器處于連續(xù)激光狀態(tài)(continuous-wave, CW)；繼續(xù)增加泵浦功率到2.09 W時，激光器演變?yōu)檎{(diào)Q鎖模態(tài)(q-switched mode-locked, QML)；當(dāng)泵浦功率在2.09～2.52 W變化時，穩(wěn)定連續(xù)鎖模(continuous mode-locked, CML)脈沖能夠被獲得。然后，繼續(xù)增加泵浦功率超過2.52 W，示波器上觀察到的穩(wěn)定鎖模脈沖將會立即消失，再次降低功率到2.52 W以下，之前穩(wěn)定的鎖模脈沖將再次恢復(fù)。此外，從圖5中也可以觀察到激光器的輸出功率較低，這主要是因為雙包層TDF纖芯(10 μm)和合束器輸出光纖的纖芯(6 μm)存在模場失配所致。

3.1 連續(xù)運行及調(diào)Q鎖模狀態(tài)

圖6為泵浦功率在1 W時激光器的輸出光譜圖。從圖6中可以看出，輸出激光中心波長為1 975.32 nm，光譜半高全寬(full width at half maximum，F(xiàn)WHM)為0.05 nm。泵浦功率在1～1.38 W變化時，激光器能穩(wěn)定工作在連續(xù)輸出狀態(tài)。當(dāng)泵浦功率從1.38 W增加到2.09 W時，光纖激光器出現(xiàn)調(diào)Q鎖模脈沖輸出。圖7為不同泵浦功率下的調(diào)Q鎖模脈沖輸出時間序列，從圖7中可以明顯看出，隨著泵浦功率的增加，調(diào)Q鎖模脈沖包絡(luò)寬度逐漸變小、強度增強。圖8為脈沖包絡(luò)的脈寬和重復(fù)頻率隨泵浦功率的變化關(guān)系圖。從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，包絡(luò)的重復(fù)頻率隨著泵浦功率的增加呈線性增長(47～83 kHz)，這是因為包絡(luò)的重復(fù)頻率主要取決于可飽和吸收體的飽和狀態(tài)，隨著泵浦功率的增加，提供更多的增益以使可飽和吸收體飽和。由于增益窄化的作用，脈寬隨著泵浦功率增加呈線性減少(5.76～2.36 μs)，這與調(diào)Q的特性完全相符，并且脈沖包絡(luò)時間寬度明顯低于文獻[22]中的8 μs。在圖9中，通過對泵浦功率在1.42 W時的調(diào)Q鎖模態(tài)進行分析，可以觀察到一個調(diào)Q脈沖包絡(luò)下包含大量的鎖模脈沖。其中，圖9a為調(diào)Q鎖模脈沖的時間序列，圖9b和圖9c分別為對應(yīng)調(diào)Q鎖模脈沖的光譜和放大時間序列圖；圖9d為測得的頻譜圖。從圖9中可以清晰地觀察到鎖模脈沖的頻率峰值位于7.64 MHz，包絡(luò)里包含多個頻率分量，其頻率間隔為80 kHz。

3.2 連續(xù)鎖模狀態(tài)

繼續(xù)增加泵浦功率，當(dāng)泵浦功率超過2.09 W時，調(diào)Q鎖模狀態(tài)會轉(zhuǎn)變成連續(xù)鎖模狀態(tài)，實驗結(jié)果如圖10。從圖10a中可以看出，鎖模脈沖周期為130.89 ns，即鎖模脈沖的重頻為7.64 MHz。連續(xù)鎖模脈沖的光譜如圖10b，中心波長為1 986.63 nm，3 dB帶寬為8.31 nm，低于文獻[23]。圖10c為鎖模脈沖的頻譜圖，其基頻位于7.64 MHz處，信噪比約為40 dB，高于文獻[23]中的36 dB。由于在環(huán)形腔中用到的隔離器起到讓光單向傳輸?shù)淖饔茫欠聪騻鞑サ腁SE仍然可以通過隔離器與激光一同輸出，因而降低了激光器的輸出信噪比。 此外，我們還掃描了范圍為500 MHz寬的頻譜，結(jié)果如圖10d，除了基頻和諧波頻率外沒有其他頻率分量，表明鎖模光纖激光器具有較高的穩(wěn)定性。從圖10d中可以看出，低頻時的RF(radio frequency)信號強度低于高頻時的信號強度，文獻[4]中也得到過類似的結(jié)果。

4 結(jié) 論

利用自制的GCM可飽和吸收體，實現(xiàn)了一種全光纖結(jié)構(gòu)、輸出靈活的TDFL。當(dāng)泵浦功率從1 W增加到2.52 W時，TDFL可以工作在3種不同的工作狀態(tài)，即連續(xù)狀態(tài)(1～1.38 W)、調(diào)Q鎖模狀態(tài)(1.38～2.09 W)和連續(xù)鎖模狀態(tài)(2.09～2.52 W)。在調(diào)Q鎖模狀態(tài)下，調(diào)Q包絡(luò)的重復(fù)頻率隨著泵浦功率的增加而增加(從47 kHz增加到83 kHz)，包絡(luò)寬度隨著泵浦功率的增加而逐漸減少(從5.76 μs減少到2.36 μs)。獲得的調(diào)Q鎖模脈沖的重復(fù)頻率為7.64 MHz。在連續(xù)鎖模狀態(tài)中，獲得鎖模脈沖的中心波長、3 dB帶寬和信噪比分別為1 986.63 nm、 8.31 nm和40 dB。所得結(jié)果與以往文獻相比，獲得了更為全面的演化過程，對基于GCM被動鎖模TDFL輸出動力學(xué)特性的研究具有一定指導(dǎo)價值。此外，對于增益光纖和合束器的模場匹配不理想的問題，在今后的工作中，將通過選擇合適的模場適配器來加以改善。