基于鉍可飽和吸收體的超快激光產生*

袁浩 朱方祥 王金濤 楊蓉 王楠? 于洋 閆培光 郭金川

1) (深圳大學物理與光電工程學院, 深圳 518060)

2) (深圳大學機電與控制工程學院, 深圳 518060)

3) (國防科技大學文理學院, 長沙 410073)

采用磁控濺射沉積法在微納光纖表面上鍍一層納米級厚度的鉍薄膜, 制備了一種微納光纖-鉍膜結構的可飽和吸收體.在1.5 μm處的非線性光調制深度為14%.將其應用到摻鉺光纖激光器中, 在1.5 μm波段獲得穩定的超快脈沖激光產生, 脈寬為 357 fs, 輸出功率為 45.4 mW, 單脈沖能量為 2.39 nJ, 信噪比為 84 dB.實驗結果表明, 利用磁控濺射法可制備出大調制深度的可飽和吸收體, 為獲得高能量超短脈沖激光輸出提供新方案.

1 引 言

超快光纖激光器在激光醫學、吸收光譜、激光大氣通信、遙感和高分子材料加工等方面具有廣闊的應用前景[1].可飽和吸收體(SA)作為諧振腔內脈沖的啟動器和整形器, 可從腔內噪聲序列中選擇出能量最高的脈沖, 是實現被動鎖模運轉的關鍵光學元件.目前唯一商用的SA是半導體飽和吸收鏡(SESAM)[2,3], 然而, 受半導體帶隙寬度和反射鏡襯底的限制, SESAM的工作帶寬通常只有幾十納米,且SESAM的制備復雜, 價格昂貴.近年來一些低維材料, 如石墨烯[4?6]、拓撲絕緣體[7,8]、過渡金屬二硫化物[9?12]、黑磷[13?15]等, 被制作成 SA 并應用于超快脈沖產生, 推動了新型SA的研制.其中, 石墨烯和拓撲絕緣體雖然具有超快的載流子響應, 但其Dirac點附近較低的電子態密度限制了其非線性吸收特性(調制深度低)[16?18]; 過渡金屬二硫化物具有較大的帶隙, 其光學響應波段主要位于可見光區域; 盡管不同層數黑磷的帶隙在0.3—2.0 eV可調[15], 可實現從可見光到中紅外波段的光學響應, 但黑磷的化學穩定性差.近年來, 科研工作者致力于研制新型的高性能SA, 以彌補現有SA存在的缺點.其中, 鉍烯因其獨特的性質引起了人們極大的興趣.根據第一性原理理論計算, 鉍烯具有高載流子遷移率[19]、優異的熱導率[20]、良好的自旋電子性質和應變誘導帶躍遷[20?22]等卓越的光電特性.另外, 塊體鉍屬于半金屬, 當層數減小到22層以下時將表現出拓撲絕緣體性質, 當層數小于8層時將表現出量子自旋霍爾相位, 最終在單層情況下表現出半導體性質, 其帶隙為0.74 eV并擁有高載流子遷移率[19,20,23].已有報道采用機械剝離法[24]和外延生長法[25]制備鉍烯, 通常將鉍烯和聚合物做成薄膜來作為SA, 由于聚合物容易被激光損傷,這種薄膜類SA不利于高能量超短脈沖產生[24].機械剝離法存在厚度不可控以及不均勻等問題, 隨機性大, 不利于SA的精準制備, 直接影響SA的表現性能.與常見的機械剝離法與外延生長法相比,磁控濺射沉積(MSD)法可在目標襯底上批次性、可重復、可控地制備薄膜, 是一種精準制備SA的有效方法[12,26].

本文采用MSD方法在微納光纖表面沉積納米級厚度鉍膜制備鉍SA.將其應用到摻鉺光纖激光器中, 獲得穩定的鎖模脈沖輸出.脈沖中心波長為 1563 nm, 輸出功率為 45.4 mW, 脈沖寬度為357 fs, 重復頻率為 19 MHz.實驗表明, 微納光纖-鉍結構可以作為一種有效的倏逝波耦合型SA器件.

2 微納光纖-鉍SA的制備與表征

在光纖拉錐機上對單模光纖(SMF-28e)進行熔融拉錐處理, 制備出錐區束腰直徑約為13 μm的微納光纖.將鉍靶材、石英片和微納光纖置于磁控濺射儀的真空室中, 將真空度降至 9 × 10–4Pa,再將氬氣注入到腔內.由于鉍為單質半金屬材料,使用直流驅動的方式鍍膜, 參數為: 氬氣流量為15 sccm (1 sccm = 1 mL/min), 電流為 0.2 A, 持續時間為2 min, 通過控制時間來控制薄膜厚度.

圖1(a)是在掃描電子顯微鏡下觀察到的微納光纖-鉍 SA 的錐區位置, 錐區直徑為 13 μm, 插圖為鍍在錐區表面鉍薄膜的表面形態, 可見薄膜十分致密地覆蓋在微納光纖的表面上.圖1(b)為鍍膜光纖端面, 圖1(c)是圖1(b)中紅色框內的放大結果, 可以看出鉍薄膜在光纖表面沉積的厚度約為39.7 nm.由 514 nm 激光激發的 50—500 cm–1范圍內鉍的拉曼光譜如圖1(d)所示, 鉍薄膜在約72 cm–1處顯示出面內 Eg模的顯著峰, 在約 97 cm–1處顯示出面外A1g模的相對弱峰, 此結果與先前的工作[27]中報道的值一致, 證實了我們所制備的鉍薄膜的高質量.為了進一步評價鉍薄膜的質量, 對所制備的鉍薄膜進行了X射線衍射(XRD)分析,圖1(e)是石英片上鉍膜的XRD圖譜, 將其與鉍的XRD標準PDF卡片(PDF#97-005-3796)比對,表明鉍膜的XRD圖譜中僅有純鉍元素的峰, 進一步證實通過磁控濺射法制備了高質量薄膜.圖1(f)為石英片上鉍膜在1400—1800 nm之間的線性透過率, 在1563 nm處的平均透過率為22.2%.

圖1 鉍薄膜表征結果 (a)覆蓋鉍薄膜拉錐光纖的錐區掃描電子顯微鏡圖像, 插圖為鉍薄膜的表面形貌; (b)鍍鉍膜的光纖端面; (c)鉍薄膜沉積在光纖上的厚度; (d)鉍薄膜的拉曼光譜; (e)鉍薄膜的XRD圖; (f)鉍薄膜的線性透過率Fig.1.Bi film characterization results: (a) Scanning electron microscope images for the taper region of the microfiber coated with the bismuth film (the inset shows the surface morphology of the bismuth film); (b) optical fiber end face with bismuth coating;(c) thickness of bismuth thin film deposited on optical fiber; (d) Raman spectrum of bismuth film; (e) XRD diagram of the bismuth film; (f) linear transmittance of bismuth thin film.

圖2 微納光纖-鉍SA的非線性表征 (a)沒有和(b)具有650 nm引導光時樣品腰部區域的光學顯微鏡圖像; (c) SA的飽和吸收特性Fig.2.Nonlinear characterization of micro-nano fiber-bismuth SA: Optical microscope images of the waist region of the sample(a) without and (b) with the guiding 650 nm light; (c) saturable absorption property of SA.

圖3 (a)不同激發功率下的標準開孔Z掃描曲線; (b)標準化的閉孔/開孔Z掃描曲線Fig.3.(a) Normalized open-aperture Z-scan traces with different excitation powers; (b) normalized close-aperture/ open-aperture Z-scan trace.

為了確認光與覆蓋在錐區表面鉍膜的漸逝波相互作用, 將波長為650 nm的紅光導入鍍膜錐區,圖2(a)所示為未通光前的光學圖像, 圖2(b)顯示了通光后的錐區圖像, 通過泄漏的紅光可以明顯地看出光與物質的相互作用.采用自制的鎖模光纖激光器, 在中心波長為 1550 nm、脈沖寬度為 270 fs、基頻為40.5 MHz的條件下, 測量了基于鉍SA的非線性光學吸收特性.非線性飽和吸收曲線如圖2(c)所示, 測得調制深度(as)、非線性飽和損耗(ans)和飽和強度 (Isat)分別約為 14%, 79%和0.9 MW/cm2.

此外, 利用開孔Z掃描技術在1500 nm波長處測試了鉍膜在 10, 30, 50, 70 mW 激發功率下的可飽和吸收特性, 結果如圖3(a)所示, 可以看出微納光纖-鉍膜結構的SA在1500 nm處呈現出明顯的飽和吸收特性.圖3(b)所示的標準化的閉孔/開孔Z掃描曲線, 展現出典型的先峰后谷特性, 表明鉍膜的非線性折射率為負, 具有自散焦特性.根據數值分析可得鉍膜的非線性吸收系數b與非線性折射率 n2分別為 2.38 × 10–4cm/W 和–1.47 ×10–9cm2/W.

3 實驗裝置

實驗裝置如圖4所示, 在摻鉺光纖激光器中,增益介質為120 cm的摻鉺(OFS/EDF-80)光纖,采用980 nm半導體激光器作為抽運源.使用波長為980/1550 nm的波分復用(WDM)耦合器將抽運光耦合到腔內.采用偏振不敏感隔離器(PIISO)以保證激光在腔內的單向傳輸, 中心波長為1550 nm.加入偏振控制器(PC)調節激光腔內光束的偏振特性狀態.采用10∶90光耦合器(OC)將10%的光輸出, 用以測試激光輸出特性, 諧振腔內的光纖器件都是偏振不敏感的.激光腔長度為11.2 m.單模光纖的參數約為–23.9 ps2/km, 摻鉺光纖的凈腔色散值約為40 ps2/km[9], 計算得到腔內凈色散約為–0.191 ps2.為分析輸出激光特性, 使用了數字示波器 (Rohde&Schwarzr RTO2024)、射頻頻譜分析儀(Rohde&Schwarzr FSV13)、光電探測器(EOT ET-3500F)、光學頻譜分析儀(Yokogawa AQ6370)、自相關儀 (APE Pulsecheck).

圖4 實驗裝置圖Fig.4.Experimental device diagram.

4 實驗結果

圖5 1.5 μm 鎖模特性 (a)鎖模光譜; (b)基頻為 19.0 MHz、分辨率為 10 Hz 的射頻頻譜, 插圖顯示了 2 GHz 跨度的射頻頻譜;(c)具有sech2擬合的脈沖持續時間為357 fs輸出脈沖的自相關軌跡, 插圖是輸出脈沖的時間序列圖; (d)輸出功率/脈沖能量隨著輸入功率的變化Fig.5.Mode-locking characteristics at 1.5 μm: (a) Mode-locking optical spectrum; (b) RF spectrum at a fundamental frequency of 19.0 MHz with 10 Hz resolution; the inset shows the RF spectrum of 100 MHz span; (c) autocorrelation trace for an output pulse with a pulse duration of 357 fs with sech2 fit; the inset is the oscilloscope trace of the output pulse train; (d) relationship between the input power and laser output power/pulse energy.

在激光腔中, 沒有加入SA前, 無論怎么調節抽運功率和偏振控制器, 都無法產生脈沖序列.然后在WDM和PC之間, 將制備的SA集成到光纖激光器中.當抽運功率增加到30 mW時, 振蕩器開始工作在鎖模狀態.圖5(a)顯示了以1563 nm為中心的典型鎖模光譜, 其 3 dB光譜帶寬為6 nm.譜線上Kelly邊帶的存在證實了鎖模激光器運行在孤子區域內.圖5(b)為RF頻譜, 基頻為19.0 MHz, 信噪比為 84 dB, 與腔長 11.2 m 相匹配.圖5(b)中的插圖是在2 GHz大范圍下的射頻(RF)頻譜, 連續平坦的頻譜圖表明鎖模脈沖具有高的穩定性.圖5(c)為自相關測量得到的脈沖軌跡, 結果很好地符合 sech2函數曲線, 脈寬為 357 fs.時間-帶寬乘積為0.323, 表明輸出脈沖含有輕微的啁啾.圖5(c)內插圖為出脈沖的時間序列圖, 可知激光器具有很好的穩定性.圖5(d)給出了輸出功率/脈沖能量隨著輸入功率的變化, 當輸入功率為280 mW 時, 輸出功率為 45.4 mW, 相應的單脈沖能量為2.39 nJ.此時輸出功率仍然保持很好的線性增長關系, 斜率效率為17%.相信通過增加抽運功率與優化諧振腔結構, 可以得到更高的輸出功率與脈沖能量.

表1中比較了鉍作為SA鎖模的幾種超快激光器的實驗結果[28?33], 其中 lc為中心波長, SNR為信噪比, Ppump為抽運功率, Pave為平均輸出功率, E 為脈沖能量, t 為脈沖持續時間, as為調制深度.在本文實驗方案中, 基于微納光纖-鉍的SA可以有效避免激光直接透過SA材料, 防止材料與激光脈沖能量的直接相互作用.因此, 這種類型的SA具有較高的損傷閾值.基于液相剝離(LPE)法制備的微納光纖-鉍SA的平均輸出功率和脈沖能量都相對較小, 而使用MSD法可以有效地提升輸出功率和脈沖能量.另外, 更高的信噪比說明輸出脈沖有更高的穩定性.此外, 二維材料可以通過MSD方法直接沉積在微納光纖的整個區域上, 充分確保了調制效果, 這也很好地說明了表1中MSD法制備SA調制深度更高.因此, 與通過其他方法制備的SA相比, 利用磁控濺射法制備的集成式微納光纖-鉍SA具有相對較大的調制深度, 可產生高能量鎖模脈沖.

表1 基于鉍 SA 不同鎖模激光器的比較Table 1.Comparison of different mode-locked lasers based on Bi saturable absorbers.

5 結 論

利用MSD技術制備了一種微納光纖-鉍SA器件, 將其應用到摻鉺光纖激光器中, 獲得高穩定性的被動鎖模脈沖, 其中心波長為1563 nm,3 dB 帶寬為 6 nm, 脈沖寬度 357 fs, 重復頻率為19 MHz, 信噪比為 84 dB.實現了大能量鎖模激光輸出, 最高單脈沖能量高達 2.39 nJ.本文提出了一種利用磁控濺射法制備SA的新方案, 將二維材料直接沉積在微納光纖表面上并覆蓋整個錐區, 充分實現對光的調制; 采用倏逝波-材料相互作用方式,避免了材料被高能量脈沖的損傷, 大幅提高SA的損傷閾值, 有利于獲得高能量超短脈沖產生.