王小發(fā)張俊紅高子葉夏光瓊吳正茂3)?

1)(西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,重慶 400715)

2)(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065)

3)(西南大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院,重慶400715)

基于石墨烯可飽和吸收體的納秒鎖模摻銩光纖激光器?

王小發(fā)1)2)3)張俊紅2)高子葉1)夏光瓊1)吳正茂1)3)?

1)(西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,重慶 400715)

2)(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065)

3)(西南大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院,重慶400715)

(2017年2月14日收到;2017年4月6日收到修改稿)

報道了一種基于石墨烯可飽和吸收體的納秒鎖模摻銩光纖激光器.該激光器采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu),利用自制的三層石墨烯薄膜作為可飽和吸收體實(shí)現(xiàn)鎖模.同時在腔內(nèi)插入一個窄帶光纖光柵,約束腔內(nèi)起振的縱模數(shù),適當(dāng)調(diào)節(jié)抽運(yùn)功率和偏振控制器的角度,得到了重復(fù)頻率為3.8 MHz、脈寬在3.8—94.3 ns之間靈活可調(diào)的2μm納秒鎖模脈沖輸出,整個脈寬調(diào)節(jié)范圍超過90 ns.此外,由于獲得的兆赫茲納秒鎖模脈沖時間帶寬積在49—1119范圍內(nèi),即存在強(qiáng)烈的啁啾,因而可作為2μm波段啁啾脈沖放大系統(tǒng)中的種子源使用.

光纖光柵,摻銩光纖激光器,納秒鎖模,石墨烯

1 引言

摻銩光纖激光器除了能產(chǎn)生覆蓋人眼安全波段和大氣通信窗口的激光外,還可以作為獲得中紅外波段激光器的抽運(yùn)源,因而被廣泛應(yīng)用于激光醫(yī)療、空間通信和激光雷達(dá)等領(lǐng)域[1].目前,被動鎖模技術(shù)在摻銩光纖激光器中已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用[2?9],作為被動鎖模核心器件的可飽和吸收體(SA)主要分為以下兩類:一類為腔內(nèi)插入以半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAMs)[2,3]和碳納米管(CNTs)[4,5]為代表的真實(shí)SA;另一類為以非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)(NPR)[6,7]和非線性放大環(huán)形鏡(NALM)[8,9]為代表的人造SA.然而,上述幾類SA均存在一定缺點(diǎn),諸如SESAMs的制作和封裝工藝復(fù)雜;CNTs的工作波長與管徑和手性相關(guān),在使用中有一定局限性;NPR和NALM則對外界環(huán)境要求較高且不能實(shí)現(xiàn)自啟動[10,11].因而,近年來一些新的鎖模材料不斷涌現(xiàn),其中基于石墨烯材料的SA以其低吸收強(qiáng)度、可控調(diào)制深度、超快恢復(fù)時間(100—200 fs)、寬工作光譜范圍(300—2500 nm)、低廉價格以及易于制作且與光纖耦合性好等優(yōu)點(diǎn)[12,13],在眾多鎖模材料中脫穎而出.在已報道的相關(guān)工作中,Zhang等[14]通過聚乙烯醇(PVA)混合石墨分散液制作了石墨烯-PVA薄膜,最終獲得了重復(fù)頻率為6.46 MHz、脈寬為3.6 ps的摻銩鎖模脈沖輸出.Sobon等[15]利用化學(xué)氣象沉積(CVD)法制備了單層石墨烯薄膜,并將其轉(zhuǎn)移到光纖端面作為SA,在摻銩光纖激光器中獲得了重復(fù)頻率為20.5 MHz、脈寬為1.2 ps的鎖模脈沖.隨后,也有不少科研人員將石墨烯或石墨烯衍生物應(yīng)用于摻銩鎖模光纖激光器中[16?18],但上述激光器工作時的一個共同特點(diǎn)為輸出脈寬為皮秒或飛秒量級.

實(shí)際上,在摻銩鎖模光纖激光器中同樣可以產(chǎn)生脈寬為納秒量級、重復(fù)頻率為兆赫茲的激光脈沖.與飛秒或皮秒鎖模脈沖相比,納秒鎖模脈沖一般具有強(qiáng)啁啾、大脈寬、低峰值功率以及非線性相位累積小等優(yōu)點(diǎn),因而可作為啁啾脈沖放大(CPA)系統(tǒng)中的種子源使用.目前雖然已有一些關(guān)于納秒鎖模光纖激光器的報道[19?24],但所涉及的激光器增益介質(zhì)一般為摻鐿或摻鉺的光纖,只有極少數(shù)文獻(xiàn)集中在摻銩光纖激光器中[25?27].最近,Fu等[27]利用石墨烯作為SA,在銩鈥共摻光纖激光器中實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率為0.964 MHz,脈寬在122—143 ns之間可調(diào)的鎖模脈沖輸出,可調(diào)范圍為21 ns.然而由于上述文獻(xiàn)中采用的抽運(yùn)源為1570 nm LD,相比于793 nm LD抽運(yùn)成本較高,功率受限;此外,文獻(xiàn)[27]中對納秒鎖模機(jī)制還缺乏有力的解釋.基于此,本文根據(jù)鎖模的基本原理,通過在腔內(nèi)插入一個窄帶光纖光柵,利用自制石墨烯作為SA,793 nm LD作為抽運(yùn)源,在僅53 m長的短腔長摻銩光纖激光器中實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率為3.8 MHz、脈寬在3.8—94.3 ns之間靈活可調(diào)的2μm納秒鎖模脈沖輸出,可調(diào)范圍超過90 ns.同時,對納秒鎖模出現(xiàn)的原因也進(jìn)行了分析.此外,由于獲得的兆赫茲納秒鎖模脈沖存在強(qiáng)烈的啁啾,因而可作為2μm波段啁啾脈沖放大系統(tǒng)中的種子源使用.

2 石墨烯SA的制作和特性

本文采用CVD法[28]制備得到了實(shí)驗(yàn)所用的石墨烯.具體操作時,將旋涂了一層聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)膠體的石墨烯轉(zhuǎn)移到光纖端面后,利用丙酮溶液使PMMA層溶解從而得到單層石墨烯.實(shí)驗(yàn)中利用拉曼光譜儀(Horiba HR-800)對自制的單層石墨烯薄膜進(jìn)行拉曼光譜檢測,所得光譜如圖1所示.從圖中可以看出,波數(shù)在2695.81 cm?1的為石墨烯2D峰,1587.51 cm?1為碳的G峰,1350.17 cm?1為石墨烯的缺陷峰D峰.根據(jù)以往的研究[29,30],通過計算拉曼光譜中2D峰和G峰的強(qiáng)度比(I2D/IG)可以確定石墨烯的層數(shù),單層石墨烯的2D峰強(qiáng)度通常為G峰2—4倍.本實(shí)驗(yàn)中得到的I2D/IG大于2,表明制備的石墨烯為單層結(jié)構(gòu),D峰的強(qiáng)度較弱說明石墨烯的缺陷很少.重復(fù)上述方法三次,可以在光纖端面獲得本文中所需的三層石墨烯薄膜.

圖1 自制單層石墨烯薄膜拉曼光譜圖Fig.1.Raman spectrum of the homemade monolayer graphene fi lm.

3 實(shí)驗(yàn)方案與原理

圖2為納秒鎖模摻銩光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖.其中,激光器采用總腔長為53 m的環(huán)形腔結(jié)構(gòu).抽運(yùn)源(最大功率12 W)為793 nm LD(BW-LD793-12S),通過(2+1)×1的合束器將抽運(yùn)光耦合進(jìn)激光腔內(nèi),經(jīng)過長4 m雙包層摻銩光纖(IXF-2CFTm-O-10-130,IXFiber)的增益介質(zhì)(其在793 nm處包層吸收率為5 dB/m)時抽運(yùn)光被其所吸收.而產(chǎn)生的2μm波段激光最終將通過70:30光耦合器(OC)的30%端口耦合輸出,利用光譜分析儀(AQ6375B,Yokogawa)、頻譜分析儀(FSL3,Rohde&Schwarz)和光電探測器(ET-5000F,EOT)配合示波器(Wave Runner 610Zi,Leroy)對其進(jìn)行光譜、頻譜和時域波形的探測.為使輸出激光脈沖得到優(yōu)化,實(shí)驗(yàn)中加入偏振無關(guān)隔離器(ISO)用于保證激光的單向傳輸,最終達(dá)到消除激光后向散射的目的;加入偏振控制器(PC)來控制輸出激光的偏振態(tài),以此來優(yōu)化輸出脈沖.與此同時,激光腔內(nèi)插入一段30 m長的普通單模光纖(SMF)用來穩(wěn)定鎖模脈沖.此外,利用中心波長為2009.862 nm、反射率約為94%和3 dB帶寬為0.38 nm的光纖光柵限制起振的縱模數(shù),獲取窄帶納秒鎖模脈沖.在激光腔內(nèi)插入一個三個端口環(huán)形器,便于引入法蘭盤連接的兩個FC/APC光纖接頭(其中一個接頭上轉(zhuǎn)移了三層石墨烯薄膜)組成的鎖模器件.

圖2 納秒鎖模摻銩光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2.Experimental setup of the nanosecond modelocked Tm-doped fi ber laser.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

適當(dāng)調(diào)節(jié)抽運(yùn)功率(在1.67—2.13 W范圍內(nèi))和PC的偏轉(zhuǎn)角度,在示波器上能觀測到穩(wěn)定的兆赫茲納秒鎖模脈沖輸出,所得結(jié)果如圖3所示.其中,輸出脈沖重復(fù)頻率一直穩(wěn)定在3.8 MHz附近,說明該脈沖因鎖模而非調(diào)Q產(chǎn)生.圖4為納秒鎖模摻銩光纖激光器脈沖寬度隨抽運(yùn)功率的變化關(guān)系曲線.從圖中可以看出,當(dāng)抽運(yùn)功率從1.67 W增加到2.13 W的過程中,激光器輸出的脈沖寬度從94.3 ns減小到3.8 ns.而納秒鎖模脈沖的產(chǎn)生是由于腔內(nèi)插入一個窄帶光纖光柵,約束腔內(nèi)起振的縱模數(shù),導(dǎo)致最終鎖定的縱模數(shù)有限,達(dá)不到如皮秒或飛秒的脈寬量級.此外,造成脈寬變窄的原因?yàn)槭┑姆蔷€性吸收效應(yīng)[27],即在一定范圍內(nèi),抽運(yùn)功率越高,腔內(nèi)增益越高,腔內(nèi)能量整體會得到提升,通過石墨烯可飽和吸收體的選擇性吸收后,獲得的脈沖寬度將逐漸變窄.實(shí)驗(yàn)中我們還觀察到,當(dāng)抽運(yùn)功率超過2.13 W時,脈沖立即產(chǎn)生分裂而不能維持在之前的鎖模狀態(tài).

當(dāng)抽運(yùn)功率調(diào)節(jié)到2.09 W時,利用分辨率為0.05 nm的光譜分析儀對激光器輸出光譜進(jìn)行了測量,所得結(jié)果如圖5所示.其中,中心波長為2010.15 nm,譜寬為0.16 nm,產(chǎn)生如此窄譜寬的原因是由于腔內(nèi)插入的窄帶光纖光柵對光譜窄化效應(yīng)所致,類似的結(jié)果在文獻(xiàn)[31]中也有報道.此外,從圖5中可以看到明顯的Kelly旁瓣,表明激光器輸出脈沖為典型的孤子鎖模脈沖.根據(jù)時間帶寬積(TBP)定義[32]計算得到TBP的范圍為45—1119,遠(yuǎn)大于極限雙曲正割脈沖的0.315[33],說明脈沖存在強(qiáng)烈的啁啾[34].為驗(yàn)證鎖模的穩(wěn)定性,實(shí)驗(yàn)中通過頻譜分析儀測量了納秒鎖模摻銩光纖激光器重復(fù)頻率在3.8 MHz時輸出激光脈沖的射頻譜,如圖6所示.從圖6中可以看到,激光信噪比約50 dB,表明激光鎖模狀態(tài)非常穩(wěn)定.另外,實(shí)驗(yàn)中還記錄了輸出平均功率隨抽運(yùn)功率的變化趨勢,如圖7所示.從圖7中可以看出,輸出基本呈線性關(guān)系,但獲得的斜效率只有0.97%,低效率的主要原因是由于腔內(nèi)存在較大的連接和傳輸損耗.在以后的工作中,將進(jìn)一步對諧振腔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,期望使激光器的斜效率得到顯著提高.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)納秒鎖模摻銩光纖激光器輸出脈沖序列隨抽運(yùn)功率的演化Fig.3.(color online)Output pulse trains evolution of the nanosecond mode-locked Tm-doped fi ber laser with the increase of pump power.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)納秒鎖模摻銩光纖激光器脈沖寬度隨抽運(yùn)功率的變化(插圖為對應(yīng)脈寬隨抽運(yùn)功率的演化圖)Fig.4.(color online)Pulse width curve of the nanosecond mode-locked Tm-doped fi ber laser with the increase of pump power.Inset,detailed pulse width trains evolution with the increase of pump power.

圖5 納秒鎖模摻銩光纖激光器輸出光譜Fig.5.Output spectrum of the nanosecond modelocked Tm-doped fi ber laser.

圖6 納秒鎖模摻銩光纖激光器射頻譜Fig.6.RF spectrum of the nanosecond mode-locked Tm-doped fi ber laser.

圖7 納秒鎖模摻銩光纖激光器平均輸出功率隨抽運(yùn)功率的變化Fig.7.Average output power of the nanosecond modelocked Tm-doped fi ber laser with the increase of pump power.

最后,為驗(yàn)證激光器輸出的納秒鎖模脈沖為石墨烯SA作用而非自鎖模效應(yīng)產(chǎn)生,通過移除腔內(nèi)的石墨烯薄膜,在相同實(shí)驗(yàn)條件下,沒有觀察到鎖模脈沖輸出,從而表明納秒鎖模脈沖的形成源于腔內(nèi)石墨烯的作用.

5 結(jié)論

基于石墨烯SA,本文構(gòu)建了兆赫茲納秒鎖模摻銩光纖激光器.實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了中心波長為2010.15 nm、譜寬為0.16 nm、重復(fù)頻率為3.8 MHz、脈寬在3.8—94.3 ns之間可調(diào)的2μm鎖模脈沖輸出,可調(diào)范圍超過90 ns.其中,納秒鎖模脈沖的產(chǎn)生是由于腔內(nèi)插入一個窄帶光纖光柵約束腔內(nèi)起振的縱模數(shù)導(dǎo)致,而脈寬可調(diào)則是源于石墨烯的非線性吸收效應(yīng).由于輸出的納秒鎖模脈沖具有強(qiáng)烈的啁啾,因而可作為種子脈沖源在2μm波段啁啾脈沖放大系統(tǒng)中得到重要應(yīng)用.此外,本文中獲得的激光器效率較低,在今后工作中將進(jìn)一步減少腔內(nèi)損耗,以期提高輸出效率.

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PACS:42.81.–i,42.55.Wd,42.60.FcDOI:10.7498/aps.66.114209

Nanosecond mode-locked Tm-doped fi ber laser based on graphene saturable absorber?

Wang Xiao-Fa1)2)3)Zhang Jun-Hong2)Gao Zi-Ye1)Xia Guang-Qiong1)Wu Zheng-Mao1)3)?
1)(School of Physical Science and Technology,Southwest University,Chongqing 400715,China)
2)(Key Laboratory of Optical Fiber Communication Technology,Chongqing Education Commission,College of Optoelectronic
Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)3)(School of Mathematics and Statistics,Southwest University,Chongqing 400715,China)

14 February 2017;revised manuscript

6 April 2017)

The Tm-doped mode-locked pulsed fi ber lasers,which are known for their wide applications in optical communication,laser medical system and special material processing,have attracted considerable interest as novel laser sources.Up to now,many reported Tm-doped mode-locked fi ber lasers focused on emitting picosecond or femtosecond pulses at a few megahertz(MHz)repetition rate.Actually,due to the strong chirp,large pulse width,low peak power and little nonlinear phase accumulation characteristics in the process of power ampli fi er,nanosecond mode-locked fi ber laser is a representative of ideal seed source in the chirped pulse ampli fi cation(CPA)system.However,nanosecond mode-locked fi ber lasers are generally implemented with the kilometerlong cavity length,corresponding to the fundamental repetition rate of hundreds of kilohertz.Usually, fi ber lasers with such a low repetition rate are not desirable in applications of laser material processing,nor medical treatment nor scienti fi c researches.In this paper,we report a nanosecond mode-locked Tm-doped fi ber laser with MHz repetition rate based on graphene saturable absorber(SA).As the SA,graphene has excellent optical properties,such as optical visualization,high transparency,ultra-fast relaxation time and nonlinear absorption.It is not limited by the band gap either because of its zero-band-gap structure.Therefore,graphene can be used as fast SA,with wide spectral range operated.Generally,graphene suitable for mode-locked fi ber lasers can be produced by using chemical vapor deposition(CVD),liquid phase exfoliation and mechanical exfoliation.Since the CVD technique can obtain high-quality graphene with precisely controlled number of layers,it is always the fi rst choice for the manufacture of graphene.In our work,monolayer graphene layers are grown on copper foils by CVD,and then transferred onto the end face of the fi ber connector three times.Meanwhile,a narrow-band fi ber Bragg grating is used to constrain longitudinal modes of the laser intra-cavity.By simply adjusting the pump power and the polarization angle of polarization controller,stable 2μm nanosecond mode-locked pulses are obtained in a wide range from 3.8 ns to 94.3 ns at 3.8 MHz repetition rate.We believe that the results obtained will be helpful for investigating the CPA system at 2μm.

fi ber Bragg grating,Tm-doped fi ber laser,nanosecond mode-locked,graphene

10.7498/aps.66.114209

?國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:11304409,61475127,61575163)、重慶市自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:CSTC2013jcyjA4004)、重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(批準(zhǔn)號:KJ1500422)和液晶面板產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)創(chuàng)新專題項(xiàng)目(批準(zhǔn)號:CSTC2015zdcy-ztzx40003)資助的課題.

?通信作者.E-mail:zmwu@swu.edu.cn

?2017中國物理學(xué)會Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.11304409,61475127,61575163),the Natural Science Foundation of Chongqing City,China(Grant No.CSTC2013jcyjA4004),the Scienti fi c and Technological Research Program of Chongqing Municipal Education Commission,China(Grant No.KJ1500422),and the Special Theme Projects on LCD Industrial Generic Technology Innovation of Chongqing,China(Grant No.CSTC2015zdcy-ztzx40003).

?Corresponding author.E-mail:zmwu@swu.edu.cn