基于Ge2Sb1.5Bi0.5Te5可飽和吸收體的鎖模光纖激光器

葉蕾，王順，姚中輝，蔣成，郭凱，張子旸

（1 上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444）

（2 中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，江蘇蘇州 215123）

0 引言

由于光纖激光器具有較高的電-光和光-光轉(zhuǎn)換效率、可變的波長(zhǎng)范圍、高質(zhì)量的輸出光束、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低等特點(diǎn)，同時(shí)受益于光纖器件的成熟，近年來得到了迅速發(fā)展，它成為了激光領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［1-4］。光纖激光器優(yōu)異的特性使其在材料加工、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)生產(chǎn)、軍事安全等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如精密加工、激光雕刻、醫(yī)療器械精密切割等［5-6］。超快光纖激光器是在光纖激光器的基礎(chǔ)上利用鎖模器件來實(shí)現(xiàn)超短脈沖的輸出。與連續(xù)光光纖激光器相比，其最顯著的特點(diǎn)是極窄的脈沖寬度，可達(dá)皮秒甚至飛秒量級(jí)。超快光纖激光器的面世為超快光譜學(xué)、高帶寬光通信、材料精密加工、超快動(dòng)力學(xué)過程等研究翻開了全新的篇章［7-9］。超快光纖激光器主要通過主動(dòng)鎖模和被動(dòng)鎖模的方式來實(shí)現(xiàn)。主動(dòng)鎖模是在諧振腔內(nèi)放置一個(gè)振幅或相位調(diào)制器，通過外部信號(hào)周期性的調(diào)節(jié)其損耗或者光程，從而實(shí)現(xiàn)鎖模脈沖序列。被動(dòng)鎖模是在諧振腔內(nèi)放置一個(gè)可飽和吸收體（Saturable Absorber，SA），基于SA 對(duì)激光的非線性可飽和效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)鎖模脈沖序列的輸出。相對(duì)于主動(dòng)鎖模，被動(dòng)鎖模由于可實(shí)現(xiàn)更窄的脈沖輸出，結(jié)構(gòu)緊湊以及易于操作等優(yōu)勢(shì)，得到了更多的關(guān)注［10-11］。而SA 的調(diào)制深度、飽和通量等參數(shù)是決定激光器輸出性能的關(guān)鍵。因此研究人員在不斷探尋性能優(yōu)異的可飽和吸收體材料。

近年來，研究人員基于材料本身的特性已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多可應(yīng)用于超快激光器的可飽和吸收體材料，如碳納米管、石墨烯、黑磷等具有寬光譜響應(yīng)的材料［12-17］。目前商用可飽和吸收體多為半導(dǎo)體可飽和吸收反射鏡，但是其存在外延結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高以及有限的工作窗口等因素制約著其發(fā)展。碳納米管、石墨烯等這些納米材料損傷閾值較低且在實(shí)際應(yīng)用中存在可靠性低等缺點(diǎn)。黑磷對(duì)周圍環(huán)境十分敏感，空氣中的水分、氧氣等都會(huì)影響材料本身的性質(zhì)。因此，研究人員也在通過不斷探索出更多可利用的材料和優(yōu)化現(xiàn)有材料的性能來進(jìn)一步拓寬光纖激光器應(yīng)用的道路［18］。Ge2Sb1.5Bi0.5Te5（GSBT）材料不僅具有寬的光譜響應(yīng)，較高的熱、化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性，而且可以通過調(diào)控溫度實(shí)現(xiàn)非晶態(tài)和晶態(tài)的快速轉(zhuǎn)變，因此能夠結(jié)合激光直寫技術(shù)在其表面制備微納結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步去調(diào)控表面光場(chǎng)，優(yōu)化其光學(xué)特性［19-20］。GSBT 材料已經(jīng)作為一種杰出的抗蝕劑被研究者們頻繁地應(yīng)用于激光直寫納米制備技術(shù)中，但是它在光子學(xué)領(lǐng)域的研究還處于起步階段，研究者們尚未關(guān)注到GSBT 材料在超快光纖激光器中的應(yīng)用。對(duì)GSBT 材料的光學(xué)特性及其應(yīng)用的探索，不僅促進(jìn)了對(duì)該材料的全面認(rèn)識(shí)，也可以有效地推動(dòng)基于GSBT 的光學(xué)器件的發(fā)展。

本文研究了退火前后GSBT 的光學(xué)特性，采用退火修飾，使其調(diào)制深度由2.7%提升到了3.8%，將其作為SA 構(gòu)建了環(huán)形腔超快激光器，獲得了脈沖寬度為1.52 ps、信噪比為47 dB 的鎖模激光脈沖。為了進(jìn)一步探究GSBT 在超快激光器中的應(yīng)用，制備了不同厚度的GSBT-SA，隨著厚度的增大，GSBT-SA 的光吸收率逐漸提升。

1 GSBT 樣品的制備

首先，采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在GaAs 襯底上沉積400 nm 的金作為反射鏡。然后，將GSBT 靶材和GaAs/Au 襯底分別固定于磁控濺射的源位置和樣品位置，磁控濺射的工作壓力為0.1 Pa、功率為50 W、Ar流量為25 sccm（standard cubic centimeter per minute），首次濺射時(shí)間為690 s，通過臺(tái)階儀測(cè)量厚度為40 nm，濺射速率為0.058 nm/s。GSBT 作為一種常見的無機(jī)相轉(zhuǎn)變材料，可以利用熱效應(yīng)改變材料晶相，因此采用真空管式退火爐對(duì)厚度為40 nm 的GSBT-SA 進(jìn)行退火，退火條件和退火時(shí)間為150 ℃和20 min，退火前后的GSBT 薄膜的照片如圖1（a）所示。為了探究厚度變化對(duì)材料性能的影響，利用磁控濺射分別濺射了1 000 s、1 380 s 得到了厚度約為60、80 nm 的GSBT 薄膜，如圖1（b）所示，從左至右分別為厚度為40、60、80 nm的GSBT 薄膜的照片。采用X 射線衍射分析儀（X-Ray Diffraction analyzer，XRD）研究退火對(duì)GSBT 晶相的影響，并用分光光度計(jì)測(cè)定GSBT 其材料的吸收光譜。

圖1 GSBT 薄膜實(shí)物圖Fig.1 GSBT films pictures

2 鎖模光纖激光器系統(tǒng)的搭建

搭建了光纖激光器系統(tǒng)來測(cè)試退火后40 nm GSBT 樣品作為SA 的輸出特性。圖2 為光纖激光器系統(tǒng)圖，中心波長(zhǎng)為980 nm 的半導(dǎo)體激光器（Laser Diode，LD）作為泵浦源來保證諧振腔內(nèi)有足夠的泵浦能量，然后與980/1 550 nm 的波分復(fù)用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）相連。截取不同長(zhǎng)度的摻鉺光纖（Er-Doped Fiber，EDF）作為增益介質(zhì)，通過對(duì)比增益介質(zhì)后端的輸出功率，確定最終的增益介質(zhì)長(zhǎng)度為1.3 m。偏振無關(guān)隔離器（Polarization-Independent Isolator，PI-ISO）能使信號(hào)光沿著固定的方向?qū)ǘ谄渌较驌p耗，保證了信號(hào)光在腔內(nèi)的單向運(yùn)轉(zhuǎn)。偏振控制器（Polarization Controller，PC）用來調(diào)節(jié)腔內(nèi)偏振態(tài)使其具有相同的相位延遲，產(chǎn)生相位疊加從而影響鎖模狀態(tài)，通過調(diào)整偏振控制器的角度，獲得最佳的鎖模激光器的輸出特性。光束經(jīng)過環(huán)形器（Circulator，CIR）作用于可飽和吸收體上，GSBT 可飽和吸收體放置在一個(gè)銅基座上，環(huán)形器的一端尾纖的光纖跳線頭通過螺絲旋鈕于基座上方，入射光垂直照射在SA上，最終通過環(huán)形器的另一端重新耦合回環(huán)形腔。為了減少諧振腔內(nèi)能量損耗，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過精細(xì)調(diào)控旋鈕螺絲，獲得最佳的光束入射角度。隨后腔內(nèi)激光脈沖通過分束比為90∶10 的輸出耦合器（Output Coupler，OC），其中10%端口輸出的激光被用來實(shí)時(shí)觀測(cè)該激光的性能，90%的激光被用來繼續(xù)在腔內(nèi)循環(huán)震蕩。激光器的時(shí)域特性由數(shù)字示波器（Keysight DSOS054A）測(cè)量，脈沖的光譜特性使用光譜分析儀（Anritsu MS9740A）測(cè)量，射頻頻譜分析儀（Keysight N9322C）測(cè)量脈沖序列的重復(fù)頻率和頻譜特性，脈沖寬度利用自相關(guān)儀（Femtochrome FR-103XL）測(cè)量。

圖2 光纖激光器系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of fiber laser system

3 結(jié)果與討論

無機(jī)相轉(zhuǎn)變材料GSBT 可以通過熱效應(yīng)改變其材料晶相，進(jìn)而調(diào)控材料的性能。為了證實(shí)退火前后GSBT 樣品的晶相，對(duì)其進(jìn)行XRD 表征，如圖3 所示，未退火的GSBT 樣品沒有明顯的結(jié)晶峰，說明未退火的GSBT 樣品呈現(xiàn)典型的非晶態(tài)（aGSBT）特征，而經(jīng)過150 ℃下的退火修飾之后，（200）晶面的衍射峰出現(xiàn)在29.5°附近，這證實(shí)了GSBT 由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)（cGSBT）。圖4 是測(cè)量的aGSBT 和cGSBT 樣品在1 300～1 600 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的吸收光譜。從圖中可以看出在測(cè)試波長(zhǎng)范圍內(nèi)cGSBT 樣品的吸收率明顯大于aGSBT 的吸收率，在1 550 nm 處的吸收率分別為5.61%和21.16%，這說明GSBT 樣品結(jié)晶后對(duì)光的吸收能力有所增強(qiáng)。

圖3 退火前后的GSBT 薄膜的XRD 圖Fig.3 XRD images of GSBT films before and after annealing

圖4 aGSBT 和cGSBT 薄膜的吸收光譜Fig.4 Absorption spectra of aGSBT and cGSBT

為了探索aGSBT-SA 和cGSBT-SA 的非線性吸收特性，利用雙臂法非線性測(cè)試系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。圖5 是退火前后GSBT 樣品的非線性傳輸特性曲線，它反映了輸入光功率與透射率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過式（1）擬合后得到的。

圖5 GSBT 薄膜的非線性特性曲線Fig.5 Nonlinear characteristic curves of GSBT films

式中，T(I)、?T、I、Isat和Tns分別是透射率、調(diào)制深度、輸入光強(qiáng)、入射飽和光強(qiáng)和非飽和損耗。通過擬合退火前aGSBT-SA 的調(diào)制深度為2.7%，退火后cGSBT-SA 的調(diào)制深度增加至3.8%，非飽和損耗也從35.7%降至21.6%。退火后cGSBT-SA 的非線性吸收能力提升的主要原因是未退火的aGSBT 薄膜中大量不飽和鍵以及缺陷的存在，使其內(nèi)部局域缺陷態(tài)密度高。退火后，aGSBT 形成了長(zhǎng)程有序的結(jié)構(gòu)，不飽和鍵減少，局域缺陷態(tài)減少，對(duì)光的吸收增多，更容易達(dá)到飽和狀態(tài)［21-22］。Ge2Sb1.5Bi0.5Te5（GSBT）是通過在Ge2Sb2Te5（GST）中摻雜少量的Bi 獲得的，Bi 原子在GST 中選擇性地替換了部分Sb 原子［23］。退火前GSBT 的整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，從局部來看，Sb（Bi）原子位于由3 個(gè)Sb-Te 鍵形成的直角三棱錐中的一個(gè)頂點(diǎn)處（圖6（a）），Ge原子位于由4 個(gè)Ge-Te 鍵構(gòu)成的四面體中心處（圖6（c））。而退火后形成的晶態(tài)GSBT 是類似于NaCl 型的面心立方結(jié)構(gòu)，它的（111）晶面被Te-Sb-Te-Ge 原子依次占據(jù)，其原子結(jié)構(gòu)示意圖如圖6（e）所示。Sb（Bi）原子、Ge 原子分別位于由6 個(gè)Sb-Te 鍵形成八面體結(jié)構(gòu)的中心（圖6（b））和由6 個(gè)Ge-Te 鍵構(gòu)成的八面體中心（圖6（d）），cGSBT 整體形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)［24］。另一方面，非晶態(tài)GST 的帶隙為0.7 eV，晶態(tài)GST 的帶隙降為0.5 eV［25］，因此GSBT 轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)之后帶隙也會(huì)相對(duì)減小。帶隙的減小使得激子的結(jié)合能也越小。結(jié)合能較低的激子，其電子空穴對(duì)的復(fù)合效率更慢，而材料的調(diào)制深度與電子空穴對(duì)的復(fù)合效率成反比。因此，帶隙更小的cGSBT，其電子空穴對(duì)復(fù)合效率更慢，則調(diào)制深度越大，非線性吸收特性越優(yōu)異。

圖6 GSBT 中的各原子排列Fig.6 Atomic arrangement of GSBT

將cGSBT-SA 集成到圖2 所示的鎖模光纖激光器系統(tǒng)中來獲得鎖模激光脈沖，激光器輸出如圖7 所示。從圖7（a）中可以看出，鎖模激光器的輸出功率隨泵浦功率的增加而增加，當(dāng)泵浦功率增加至192.6 mW 時(shí)，輸出光功率達(dá)最大值3.831 mW，斜率效率為2.2%。圖7（b）是激光器輸出的時(shí)域脈沖序列，鎖模脈沖間隔為291 ns，由此可見，基于cGSBT 可飽和吸收體的鎖模激光器有穩(wěn)定的脈沖輸出。圖7（c）為鎖模輸出光譜，可以看出其中心波長(zhǎng)為1 557 nm，3dB 帶寬為3.21 nm。輸出脈沖的頻譜圖如圖7（d）所示，可以得到脈沖重復(fù)頻率為3.44 MHz，從圖7（e）可以看出信噪比為47 dB，說明鎖模脈沖工作在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。圖7（f）為鎖模激光器的單脈沖形狀，自相關(guān)儀測(cè)得的單脈沖軌跡通過高斯擬合后得到脈沖寬度為1.52 ps。時(shí)間帶寬積公式為式中，τ 為脈沖持續(xù)時(shí)間，c為光速，?λ為3 dB 帶寬，λc是中心波長(zhǎng)。計(jì)算可得激光脈沖的時(shí)間帶寬積為0.604。每隔5 h 測(cè)量了激光器的輸出光譜，在360 h 的穩(wěn)定性測(cè)試時(shí)間范圍內(nèi)，鎖模激光器的中心輸出波長(zhǎng)沒有明顯漂移，光譜3 dB 寬度保持穩(wěn)定。

圖7 基于cGSBT 可飽和吸收體的鎖模激光器的輸出特性Fig.7 Output characteristics of the mode-locked laser based on cGSBT saturable absorber

cGSBT-SA 的激光器輸出特性證實(shí)了其在超快激光領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。為了進(jìn)一步研究薄膜厚度對(duì)GSBT 吸收特性的影響，分別測(cè)試了60、80 nm 厚的GSBT 薄膜的光吸收率。如圖8 所示，隨著厚度的增加，GSBT 薄膜在1 550 nm 波長(zhǎng)處的光吸收率逐漸增加，分別是40.44%和52.28%。因此，GSBT 作為一種潛在的可飽和吸收體材料，可以通過退火、增加膜厚等簡(jiǎn)單的方式來提升激光器輸出特性。

圖8 40、60、80 nm 的GSBT 的吸收光譜Fig.8 Absorption spectra of GSBT films of 40，60，80 nm

4 結(jié)論

采用磁控濺射制備了40 nm 的aGSBT 薄膜，通過退火使其轉(zhuǎn)變?yōu)閏GSBT 薄膜，有效地減少了局域缺陷態(tài)、減小了帶隙，使其調(diào)制深度提升至3.8%。基于cGSBT-SA 構(gòu)建了鎖模激光器，實(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)為1 557 nm、重復(fù)頻率為3.44 MHz 、脈沖寬度為1.52 ps、信噪比47 dB 的激光輸出。除此之外，研究了薄膜厚度對(duì)GSBT的吸收特性的影響，發(fā)現(xiàn)增加厚度也是GSBT 薄膜增強(qiáng)光吸收的一個(gè)可行的方法。GSBT 材料有望成為應(yīng)用于鎖模光纖激光器的可飽和吸收體材料的候選者。