二硫化鉬摻鐿光纖激光器連續(xù)和調(diào)Q實(shí)驗(yàn)研究

張鳳娟,黃 敏

(1.無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214028;2.江南大學(xué)輕工業(yè)過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無(wú)錫 214122)

1 引 言

由于調(diào)Q光纖激光器具有高效率、寬波段、高功率、性價(jià)比高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn),其在通信、醫(yī)療、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用[1-3]。為了獲得更高頻率、更窄脈沖的調(diào)Q激光脈沖輸出,人們正在不斷尋找更多優(yōu)秀的可飽和吸收材料。據(jù)報(bào)道,具有零帶隙和良好可飽和吸收性質(zhì)的石墨烯作為可飽和吸收體得到了充分發(fā)展[4-6]。隨之,越來(lái)越多的二維“類石墨烯”材料作為優(yōu)異的可飽和吸收體應(yīng)用在脈沖激光器中,如MoS2、WS2、TiS2等等[7-10]。

近幾年,MoS2在眾多的二維“類石墨烯”材料中脫穎而出[11-12],與傳統(tǒng)的調(diào)Q、鎖?？娠柡臀阵w相比,它不但擁有獨(dú)特的“三明治”結(jié)構(gòu),而且具有寬帶隙、結(jié)構(gòu)可調(diào)控、工作波段寬、非線性系數(shù)高、吸附力強(qiáng),吸收系數(shù)優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。2014年,B.Xu等人[13]首次利用MoS2作為SA應(yīng)用到摻鉺調(diào)Q激光器中,得到調(diào)諧范圍為1519.6～1567.7 nm的調(diào)Q脈沖。此后,許多基于二硫化鉬的調(diào)Q激光器相繼被報(bào)道[14-15],但是利用二硫化鉬可飽和吸收體得到脈寬為幾十納秒的報(bào)道并不多。本文以環(huán)形腔為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)了基于MoS2-SA的摻鐿光纖激光器連續(xù)和調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn),在560 mW 泵浦功率時(shí),得到中心波長(zhǎng)1063 nm、輸出功率2.18 mW,重復(fù)頻率為61.7 kHz,脈沖寬度為45 ns,單脈沖能量為38 nJ的激光輸出。脈沖寬度、平均輸出功率、重復(fù)頻率與泵浦功率近似呈線性關(guān)系。

2 MoS2可飽和吸收體的制備及測(cè)試

目前制備MoS2可飽和吸收體的方法主要有:機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、分子束外延生長(zhǎng)法(MBE)、液相分離法(LPD)等[16]?？紤]到液相分離法不僅具有簡(jiǎn)單快捷的特點(diǎn)而且制備成本低,所以本實(shí)驗(yàn)采用液相分離法制備MoS2溶液。純度為99 %的二硫化鉬粉末和N-甲基-2吡咯烷酮(NMP)分散劑均由Alfa Aesar公司提供。具體制作過(guò)程為:首先將50 mg二硫化鉬粉末加入10 mL分散劑溶液使其分散均勻；接著將MoS2分散液放入一臺(tái)超聲波清洗機(jī)中超聲10 h,超聲功率為450 mW；然后將混合液放入離心機(jī)中離心30 min,離心機(jī)轉(zhuǎn)速為5000 rpm,取上層清液重置離心機(jī)中再次離心30 min,重復(fù)此操作直到二硫化鉬粉末完全溶解；最后取離心后溶液超聲10 min,獲得薄層狀二硫化鉬分散液均勻涂覆在石英片上進(jìn)行干燥操作,即完成二硫化鉬可飽和吸收體的制作。用拉曼光譜對(duì)二硫化鉬可飽和吸收體進(jìn)行表征,結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出二硫化鉬可飽和吸收有二個(gè)特征拉曼峰,二峰之間的波數(shù)差為22.5 cm-1,由此可推測(cè)二硫化鉬薄膜為少層結(jié)構(gòu)。

圖1 二硫化鉬可飽和吸收體的拉曼光譜

采用1064 nm連續(xù)激光測(cè)量二硫化鉬可飽和吸收體的可飽和吸收特性如圖2所示,可以看出,在入射光功率較小時(shí),MoS2-SA的吸收率隨著入射光功率的增加而減小,當(dāng)光功率增加到300 mW時(shí),吸收率趨于穩(wěn)定,說(shuō)明入射的激光功率較小時(shí),吸收較大,隨著入射功率的增大,吸收下降,最后趨于穩(wěn)定。測(cè)試表明,樣品的可飽和吸收性能良好。

圖2 樣品的吸收率與入射激光功率的關(guān)系

3 實(shí)驗(yàn)裝置

圖3為光纖激光器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)和MoS2-SA被動(dòng)調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)光纖激光器裝置圖。一段長(zhǎng)度為3 m的高摻雜單模雙包層摻鐿光纖EDF(10 pF/km/nm)和一段長(zhǎng)度為15 m的單模光纖(18 pF/km/nm)組成環(huán)形腔。其中,摻鐿光纖直徑為9 μm,內(nèi)包層直徑為125 μm,數(shù)值孔徑為0.46,在980 nm波段的吸收系數(shù)約7.5 dB/m。光纖激光器的泵浦源為JDSU 980 nm半導(dǎo)體激光器,尾纖最大輸出光功率為1.5 W。泵浦光通過(guò)980 nm/1064 nm波分復(fù)用器DWM耦合進(jìn)入環(huán)形腔。裝置中所用光纖偏振控制器PC可以調(diào)節(jié)腔內(nèi)雙折射,偏振相關(guān)隔離器PI-ISO可保證腔內(nèi)信號(hào)光單方向運(yùn)轉(zhuǎn)。PC和PI-ISO一起用于調(diào)Q、鎖模脈沖的優(yōu)化。激光脈沖則是從耦合器OC的25 %一端輸出,75 %一端反饋回激光腔內(nèi)。

輸出脈沖序列通過(guò)InGaAs光電探測(cè)器(DET10D Operation Manual-long Wavelength InGaAs Detector,Thorlabs)進(jìn)行測(cè)量,1 GHz數(shù)字示波器用來(lái)觀察調(diào)Q脈沖波形。

圖3 二硫化鉬被動(dòng)調(diào)Q摻鐿光纖激光器裝置圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 激光器的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)

實(shí)驗(yàn)中,在不加入MoS2-SA的情況下,觀察不同長(zhǎng)度的摻鐿光纖對(duì)激光器輸出功率的影響,本實(shí)驗(yàn)選取三種長(zhǎng)度的摻鐿光纖做比較,分別為1 m、3 m、7 m。圖4是連續(xù)激光輸出功率分別在三種長(zhǎng)度的光纖下,隨泵浦功率變化的關(guān)系。從圖4可以看出,雖然對(duì)三種摻鐿光纖來(lái)說(shuō),連續(xù)光輸出功率均隨泵浦功率的增加而增加,但是三者之間又存在很大區(qū)別。在整個(gè)泵浦功率范圍內(nèi),1 m摻鐿光纖的輸出功率始終是最小的；3 m摻鐿光纖與7 m摻鐿光纖相比較,在泵浦功率小于1.1 W時(shí),長(zhǎng)度為7 m的摻鐿光纖的輸出功率小于長(zhǎng)度為3 m的摻鐿光纖；當(dāng)泵浦功率升高到1.1 W之后,7 m摻鐿光纖輸出功率反而高于3 m摻鐿光纖。由此可以定性說(shuō)明,增益光纖的長(zhǎng)度對(duì)輸出功率影響較大,在一定的泵浦功率下,存在著最佳光纖長(zhǎng)度:泵浦功率較低,最佳光纖長(zhǎng)度較短,泵浦功率較高,最佳光纖長(zhǎng)度較長(zhǎng)。由于本實(shí)驗(yàn)所用泵浦源最大輸出功率為1.5 W,故3m摻鐿光纖是最佳選擇。由圖4還可以看出,當(dāng)泵浦功率為1.35 W時(shí),3 m增益光纖輸出連續(xù)激光功率為270 mW,此時(shí),光光轉(zhuǎn)換效率為20 %,斜率效率為21.5 %。

圖4 不同增益光纖長(zhǎng)度下連續(xù)光輸出功率與泵浦功率的關(guān)系

圖5是用光束分析儀測(cè)出的激光光束分布圖,可以看出,輸出激光光斑為圓形結(jié)構(gòu),對(duì)稱性較好,在水平和垂直兩個(gè)方向上的光強(qiáng)分布都是標(biāo)準(zhǔn)高斯分布,是TEM00模式。利用分辨率為0.02 nm的光譜分析儀測(cè)得激光光譜圖如圖6所以,可以看出輸出連續(xù)光的中心波長(zhǎng)為1063.1 nm,3 dB帶寬為0.74 nm。

4.2 激光器的調(diào)Q和鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)

實(shí)驗(yàn)中,把MoS2-SA置于光纖準(zhǔn)直器S1與S2之間。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)比較,選取摻鐿雙包層光纖長(zhǎng)度為3 m。實(shí)驗(yàn)剛開(kāi)始,泵浦功率較小,示波器上沒(méi)有調(diào)Q脈沖出現(xiàn),只有連續(xù)光輸出。增大泵浦功率的同時(shí)仔細(xì)調(diào)節(jié)偏振控制器PC,當(dāng)泵浦功率增加到185 mW時(shí),示波器上開(kāi)始出現(xiàn)調(diào)Q脈沖,此時(shí)脈沖的穩(wěn)定性較差,如圖7所示。由圖7看出在調(diào)Q初始階段脈沖寬度較寬,為300 ns；單脈沖之間間隔為56.3 μs,即重復(fù)頻率為17.6 kHz；此時(shí)平均輸出功率較小,約為0.15 mW。增加泵浦功率,同時(shí)保持PC狀態(tài)不變,發(fā)現(xiàn)脈沖串輸出快速趨于穩(wěn)定。當(dāng)泵浦功率為560 mW時(shí),激光器輸出脈沖如圖8所示。此時(shí)調(diào)Q脈沖寬度最窄可達(dá)到45 ns,脈沖間隔為16.2 μs,重復(fù)頻率為61.7 kHz,平均輸出功率為2.18 mW。從脈沖序列可以看出,此時(shí)的調(diào)Q 脈沖沒(méi)有出現(xiàn)高低不平的現(xiàn)象,MoS2可飽和吸收體對(duì)光路的調(diào)制非常穩(wěn)定。

圖5 激光光束分布圖

圖6 連續(xù)激光的光譜圖

圖7 泵浦功率185mW時(shí)調(diào)Q單脈沖波形及調(diào)Q脈沖序列波形

圖8 泵浦功率560 mW時(shí)調(diào)Q單脈沖波形圖及調(diào)Q脈沖序列波形圖

圖9是調(diào)Q重復(fù)頻率及脈沖寬度隨泵浦功率的變化關(guān)系,圖10是激光器的調(diào)Q輸出功率和單脈沖能量與泵浦功率的關(guān)系,單脈沖能量是根據(jù)激光平均輸出功率以及脈沖寬和重復(fù)頻率三者計(jì)算得到的。從圖8、圖9、圖10可以看出:在泵浦功率從185 mW增加到560 mW的過(guò)程中,輸出功率及脈沖重復(fù)頻率近似線性比例的增加,輸出功率從最小0.15 mW增加到最大2.18 mW,脈沖重復(fù)頻率從17.6 kHz增加到61.7 kHz。而且,調(diào)Q脈沖寬度隨著泵浦功率增大逐漸減小,從300 ns減小到最小45 ns,這種現(xiàn)象是調(diào)Q激光器的一個(gè)重要特征。單脈沖能量隨泵浦功率的增加有趨近飽和的趨勢(shì),當(dāng)泵浦功率為540 mW時(shí),單脈沖能量最大為38 nJ。這可能是MoS2可飽和吸收體出現(xiàn)了過(guò)飽和現(xiàn)象,泵浦功率不能再大幅增加。

圖9 重復(fù)頻率及脈沖寬度與泵浦功率的關(guān)系

圖10 平均輸出功率和單脈沖能量與泵浦功率的關(guān)系

對(duì)以上現(xiàn)象可以做如下解釋:隨著泵浦功率的升高,泵浦速率增大,反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度提高,峰值光子數(shù)增加,導(dǎo)致MoS2-SA在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到飽和,從而釋放出較窄脈沖。同時(shí),據(jù)調(diào)Q脈沖重復(fù)頻率f的相關(guān)分析[17]可知,可飽和吸收體的飽和狀態(tài)決定調(diào)Q脈沖的產(chǎn)生,隨著泵浦功率增加,可飽和吸收體的增益增加,脈沖所需要形成時(shí)間縮短,單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)增加,即脈沖重復(fù)頻率增加。同時(shí)將脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率與相關(guān)計(jì)算方法相結(jié)合也可解釋為何平均輸出功率、單脈沖脈沖能量隨泵浦功率的增加呈線性變化。

當(dāng)泵浦功率達(dá)到560 mW時(shí),繼續(xù)增加泵浦功率,調(diào)Q脈沖隨之消失,這時(shí)仔細(xì)地、反復(fù)調(diào)節(jié)偏振控制器PC,并慢慢地增加泵浦功率,示波器上出現(xiàn)不穩(wěn)定的調(diào)Q鎖模序列,如圖11所示。由于擔(dān)心泵浦功率過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致MoS2可飽和吸收體損傷,泵浦功率沒(méi)有再繼續(xù)增加,故尚未出現(xiàn)穩(wěn)定的、調(diào)制深度較高的鎖模脈沖。經(jīng)分析,可飽和吸收體的厚度,以及腔結(jié)構(gòu)都是導(dǎo)致鎖模深度不高的原因,后期的實(shí)驗(yàn)中將對(duì)飽和吸收體的制作方法和激光腔結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)以期得到調(diào)制深度為100 %的鎖模脈沖。

圖11 不穩(wěn)定的調(diào)Q鎖模脈沖

5 結(jié) 論

本文研究了980 nm LD端面泵浦摻鐿光纖激光器的連續(xù)和調(diào)Q的運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)中在3 m最佳增益光纖長(zhǎng)度下,得到中心波長(zhǎng)1063 nm、輸出功率270 mW、斜率效率為21.5 %的連續(xù)激光輸出。采用自制的二硫化鉬作為可飽和吸收體,當(dāng)泵浦功率在185～560 mW變化的過(guò)程中,得到了穩(wěn)定的調(diào)Q脈沖輸出,脈沖輸出功率從最小0.15 mW增加到最大2.18 mW,脈沖重復(fù)頻率從17.6 kHz增加到61.7 kHz。而且,調(diào)Q脈沖寬度隨著泵浦功率增大逐漸減小,從300 ns減小到最小45 ns,單脈沖能量隨泵浦功率的增加有趨近飽和的趨勢(shì),當(dāng)泵浦功率為540 mW時(shí),單脈沖能量最大為38 nJ。脈沖寬度、重復(fù)頻率、平均輸出功率與泵浦功率近似呈線性關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),繼續(xù)增加泵浦功率,調(diào)Q狀態(tài)消失,不穩(wěn)定的調(diào)Q鎖模序列進(jìn)而出現(xiàn),今后計(jì)劃改善實(shí)驗(yàn)條件,以期出現(xiàn)穩(wěn)定的、調(diào)制深度接近100 %的鎖模脈沖。實(shí)驗(yàn)表明:二硫化鉬是一種優(yōu)異的可飽和吸收體,不久的將來(lái)有望代替石墨烯、SESAM、SWNT等材料成為一種新型的激光鎖模、調(diào)Q 器件。