基于金納米棒可飽和吸收體的被動調Q摻鉺光纖激光器

許 陽，康 喆，賈志旭，劉 來，趙 丹，秦冠仕，秦偉平

(集成光電子學國家重點聯合實驗室吉林大學實驗區吉林大學電子科學與工程學院，吉林長春 130012)

1 引 言

近年來，光纖激光器由于其具有結構緊湊、閾值低、效率高、光束質量好等優點而備受關注。人們對于光纖激光器，尤其是脈沖光纖激光器進行了大量的研究［1-5］。其中，調Q光纖激光器和鎖模光纖激光器作為兩種主要脈沖光纖激光器，在軍事、通信、工業加工、生物醫學等領域有著廣闊的應用前景［1-6］。與鎖模激光器相比，調Q激光器具有結構更簡單、成本更低等優點［7］。調Q光纖激光器主要由主動和被動兩種形式實現。其中，主動調Q由外加的調制器實現［8］，而被動調Q由可飽和吸收體實現。與主動調Q相比，被動調Q激光具有結構簡單、可實現全光纖集成、穩定性好以及造價低廉等特點［7，10-11］。目前，常用的可飽和吸收體有半導體可飽和吸收鏡(Semiconductor saturable absorber mirror，SESAM)、石墨烯(Graphene)、碳納米管(Carbon nanotube，CNT)等。2011年，D.Popa等［7］利用 Graphene作可飽和吸收體在 1.5 μm 附近實現了脈寬為 2 μs、脈沖能量為40 nJ的可調諧激光輸出(1 522～1 555 nm)。2012 年，Weiqiang Yang等［10］利用 SESAM作為可飽和吸收體在2 μm附近實現了91 mW平均功率、80 kHz 重復頻率、490 ns 脈寬、1.14 μJ單脈沖能量的激光輸出。2012年，Lei Liu等［11］利用CNT作為可飽和吸收體在1.5 μm附近實現了重復頻率 23.8 ～66.2 kHz、脈寬 2.6 ～9 μs、約 0.5 nJ 最高單脈沖能量的雙波長脈沖激光輸出。近些年來，對以上3種可飽和吸收體的研究已經相當廣泛和深入。探索新型的可飽和吸收體對推動調Q激光技術的進一步發展具有重要意義。

本文報道了一種新的可飽和吸收體——金納米棒(AuNRs)，并通過將其集成于全光纖環形激光腔中實現了被動調Q摻鉺光纖激光器。在205 mW泵浦功率下，獲得了脈沖寬度為10 μs、平均輸出功率為6.9 mW、單脈沖能量為219 nJ的激光輸出。這種新型可飽和吸收體將會拓展調Q脈沖激光的研究范圍，并推動脈沖激光技術的進一步發展。

2 實 驗

AuNRs由種子生長法［13］制備。室溫下，將10 mL濃度為0.5 mmol/L的氯金酸(HAuCl4)溶液與10 mL濃度為0.2 mmol/L的十六烷基溴化銨(CTAB)混合，待混合液分散均勻后，加入1 mL 0.2 mmol/L的硼氫化鈉(NaBH4)溶液并攪拌約10 min，此時溶液顏色由深黃色變為棕黃色。靜置2 h后，便得到金種子溶液。室溫下將12.5 mL濃度為0.2 mol/L的5-溴水楊酸(5-bromosalicylic acid)溶液與20 mL濃度為 0.05 mol/L的CTAB混合，同時加入2 mL濃度為4 mmol/L的硝酸銀(AgNO3)溶液，混合均勻后，將1 mL濃度為 0.1 mmol/L的抗壞血酸(Vc)在連續攪拌的條件下加入混合液，以形成生長溶液。最后，將1 mL已制備的金種子溶液加入生長溶液中。將所制得的溶液室溫下靜置48 h以保證其能生長出AuNRs。然后，將所得的AuNRs溶液與配好的質量分數為1%的成膜劑羧甲基纖維素鈉(NaCMC)溶液混合，超聲處理6 h使其混合均勻，得到金納米棒-羧甲基纖維素鈉(AuNRs-NaCMC)混合液。靜置24 h后，將所得的AuNRs-NaCMC混合液涂于載玻片上，干燥后便得到金納米棒可飽和吸收體薄膜。與光學性質各向同性的球形金納米粒子相比［6-15］，AuNRs為棒狀結構，其光學性質并非各向同性，因而存在由橫向等離子共振和縱向等離子共振產生的兩個吸收峰。此處我們用到的為其縱向吸收峰。另外，通過改變金納米棒的長徑比，可以使其吸收峰在可見波段到紅外波段的寬范圍內移動［13，15-16］。

圖1(a)為金納米棒的透射電鏡(Transmission electron microscope，TEM)圖，圖 1(b)為其吸收譜。通過圖1(a)可以看到，樣品形貌為棒狀，長度約為100 nm，直徑約為20 nm，長徑比約為5。從圖1(b)可以看出，AuNRs由縱向等離子共振產生的吸收峰具有極寬的吸收帶(800～1 600 nm)，因此其能夠在1.56 μm附近實現調Q激光脈沖輸出。圖1(c)為測得的金納米棒的歸一化激光透過率與泵浦功率密度的關系(泵浦源為輸出脈沖寬度500 fs、中心波長1 560 nm的脈沖光纖激光器)，展示了金納米棒的可飽和吸收性。數據顯示金納米棒的調制深度約為4.5%，飽和功率密度約為1.67 MW/cm2。

圖1 (a)金納米棒TEM圖;(b)金納米棒吸收譜;(c)金納米棒歸一化激光透過率與泵浦功率密度的關系。Fig.1 (a)TEM image of the AuNRs.(b)Optical absorption spectrum of the AuNRs.(c)Dependence of the normalized transmission at 1 560 nm on the pump power density for the AuNRs.

圖2 金納米棒被動調Q摻鉺光纖激光器實驗裝置圖Fig.2 Schematic setup of AuNRs passively Q-switched erbium-doped fiber laser

本實驗所用的實驗裝置如圖2所示。在實驗中，我們采用環形光纖激光腔結構。所用的泵浦源是976 nm半導體激光器(976 nm pump LD)，通過一個980/1 550 nm波分復用器(WDM)將泵浦光耦合進激光腔內。所用的增益介質為一段20 cm的高摻雜摻鉺光纖(EDF)。所用的可飽和吸收體為AuNRs-NaCMC混合薄膜。激光腔中的1 550 nm隔離器(ISO)是為了保證光在腔內單方向傳輸。利用一個1 550 nm的10 dB耦合器(10%OC)來輸出脈沖激光。

3 結果與討論

激光器搭建完畢后，調整976 nm半導體激光器泵浦功率，當泵浦功率增至30 mW時，開始出現穩定的調Q脈沖。繼續增加泵浦功率，直至約205 mW，激光器依然能保持穩定的調Q激光輸出。圖3給出了泵浦功率約為80 mW時的輸出脈沖序列以及單個輸出脈沖。此時脈沖重復頻率約為17.5 kHz(對應脈沖間隔約 57 μs)，脈沖寬度約為16 μs。圖4給出了輸出激光的光譜，激光中心波長約為1 560 nm。連續激光經可飽和吸收體調制為調Q脈沖激光后，激光脈沖的窄化對應頻域的展寬，故所得脈沖光譜寬度與連續激光相比有較明顯的展寬。

圖3 (a)輸出脈沖序列;(b)單個輸出脈沖。Fig.3 (a)Output pulse train of the laser.(b)Single pulse profile of the laser.

圖4 激光器輸出光譜Fig.4 Emission spectrum of the laser

圖5給出了輸出激光脈沖寬度及重復頻率與泵浦功率的關系。當泵浦功率為30 mW時，脈沖寬度約為20 μs，重復頻率約 6.6 kHz;隨著泵浦功率增至205 mW，脈沖寬度下降至約10 μs，而重復頻率增至約31.5 kHz。輸出脈沖寬度隨泵浦功率的增大而減小、而重復頻率隨泵浦功率的增大而提高是被動調Q激光器的典型特征［11］，這是由泵浦速率隨著泵浦功率的增大而提高引起的［6］。圖6為激光器輸出功率隨泵浦功率的變化圖。由圖6可知，該激光器的光-光轉換效率約為3.6%。隨著泵浦功率自30 mW增至205 mW，輸出功率由約1 mW增至約6.9 mW，所對應的單個脈沖能量最高達219 nJ。

在制作AuNRs可飽和吸收體時，我們加入了成膜劑NaCMC。為了確保調Q是由AuNRs實現，我們只將NaCMC薄膜置于激光腔中，觀察其輸出光譜及脈沖。圖7(a)和圖7(b)分別為泵浦功率升至205 mW時所得的輸出光譜以及輸出激光的示波器顯示，可以看到只有連續光的輸出而沒有任何形式脈沖光的輸出，這證實了我們所得到的調Q激光輸出由AuNRs實現。

圖5 輸出脈沖寬度和重復頻率隨泵浦功率的變化Fig.5 Dependence of the pulse duration and repetition rate on the pump power

圖6 激光器輸出功率隨泵浦功率的變化Fig.6 Out power of the laser as a function of the pump power

圖7 (a)只將NaCMC薄膜置于腔中時的輸出光譜;(b)只將NaCMC薄膜置于腔中時輸出激光的示波器顯示。Fig.7 (a)Emission spectrum of the EDFL with a bare NaCMC film.(b)Output laser of the EDFL with a bare NaCMC film.

4 結 論

利用種子誘導生長法制備了長徑比為5的金納米棒，實現了基于新型可飽和吸收體——金納米棒的被動調Q摻鉺光纖激光器，得到了閾值為30 mW的穩定調Q激光輸出。當泵浦功率增至205 mW時，輸出最大平均功率約為6.9 mW，單脈沖能量高達219 nJ。此外，由于金納米棒吸收峰位置與其長徑比的依賴性，金納米棒有潛力成為覆蓋多個波段的新型可飽和吸收體。

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