二硫化鉬摻鐿光纖激光器連續和調Q實驗研究

張鳳娟,黃 敏

(1.無錫科技職業學院物聯網技術學院,江蘇 無錫 214028;2.江南大學輕工業過程先進控制教育部重點實驗室,江蘇 無錫 214122)

1 引 言

由于調Q光纖激光器具有高效率、寬波段、高功率、性價比高、結構緊湊等特點,其在通信、醫療、工業、軍事等領域發揮越來越重要的作用[1-3]。為了獲得更高頻率、更窄脈沖的調Q激光脈沖輸出,人們正在不斷尋找更多優秀的可飽和吸收材料。據報道,具有零帶隙和良好可飽和吸收性質的石墨烯作為可飽和吸收體得到了充分發展[4-6]。隨之,越來越多的二維“類石墨烯”材料作為優異的可飽和吸收體應用在脈沖激光器中,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],與傳統的調Q、鎖模可飽和吸收體相比,它不但擁有獨特的“三明治”結構,而且具有寬帶隙、結構可調控、工作波段寬、非線性系數高、吸附力強,吸收系數優良等優點。2014年,B.Xu等人[13]首次利用MoS2作為SA應用到摻鉺調Q激光器中,得到調諧范圍為1519.6～1567.7 nm的調Q脈沖。此后,許多基于二硫化鉬的調Q激光器相繼被報道[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道并不多。本文以環形腔為基礎,實現了基于MoS2-SA的摻鐿光纖激光器連續和調Q運轉,在560 mW 泵浦功率時,得到中心波長1063 nm、輸出功率2.18 mW,重復頻率為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、重復頻率與泵浦功率近似呈線性關系。

2 MoS2可飽和吸收體的制備及測試

目前制備MoS2可飽和吸收體的方法主要有:機械剝離法、化學氣相沉積法(CVD)、分子束外延生長法(MBE)、液相分離法(LPD)等[16]。考慮到液相分離法不僅具有簡單快捷的特點而且制備成本低,所以本實驗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分散液放入一臺超聲波清洗機中超聲10 h,超聲功率為450 mW；然后將混合液放入離心機中離心30 min,離心機轉速為5000 rpm,取上層清液重置離心機中再次離心30 min,重復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。用拉曼光譜對二硫化鉬可飽和吸收體進行表征,結果如圖1所示。由圖1可以看出二硫化鉬可飽和吸收有二個特征拉曼峰,二峰之間的波數差為22.5 cm-1,由此可推測二硫化鉬薄膜為少層結構。

圖1 二硫化鉬可飽和吸收體的拉曼光譜

采用1064 nm連續激光測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,MoS2-SA的吸收率隨著入射光功率的增加而減小,當光功率增加到300 mW時,吸收率趨于穩定,說明入射的激光功率較小時,吸收較大,隨著入射功率的增大,吸收下降,最后趨于穩定。測試表明,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系

3 實驗裝置

圖3為光纖激光器連續運轉和MoS2-SA被動調Q運轉光纖激光器裝置圖。一段長度為3 m的高摻雜單模雙包層摻鐿光纖EDF(10 pF/km/nm)和一段長度為15 m的單模光纖(18 pF/km/nm)組成環形腔。其中,摻鐿光纖直徑為9 μm,內包層直徑為125 μm,數值孔徑為0.46,在980 nm波段的吸收系數約7.5 dB/m。光纖激光器的泵浦源為JDSU 980 nm半導體激光器,尾纖最大輸出光功率為1.5 W。泵浦光通過980 nm/1064 nm波分復用器DWM耦合進入環形腔。裝置中所用光纖偏振控制器PC可以調節腔內雙折射,偏振相關隔離器PI-ISO可保證腔內信號光單方向運轉。PC和PI-ISO一起用于調Q、鎖模脈沖的優化。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。

輸出脈沖序列通過InGaAs光電探測器(DET10D Operation Manual-long Wavelength InGaAs Detector,Thorlabs)進行測量,1 GHz數字示波器用來觀察調Q脈沖波形。

圖3 二硫化鉬被動調Q摻鐿光纖激光器裝置圖

4 實驗結果與分析

4.1 激光器的連續運轉

實驗中,在不加入MoS2-SA的情況下,觀察不同長度的摻鐿光纖對激光器輸出功率的影響,本實驗選取三種長度的摻鐿光纖做比較,分別為1 m、3 m、7 m。圖4是連續激光輸出功率分別在三種長度的光纖下,隨泵浦功率變化的關系。從圖4可以看出,雖然對三種摻鐿光纖來說,連續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別。在整個泵浦功率范圍內,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,長度為7 m的摻鐿光纖的輸出功率小于長度為3 m的摻鐿光纖；當泵浦功率升高到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。由此可以定性說明,增益光纖的長度對輸出功率影響較大,在一定的泵浦功率下,存在著最佳光纖長度:泵浦功率較低,最佳光纖長度較短,泵浦功率較高,最佳光纖長度較長。由于本實驗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,當泵浦功率為1.35 W時,3 m增益光纖輸出連續激光功率為270 mW,此時,光光轉換效率為20 %,斜率效率為21.5 %。

圖4 不同增益光纖長度下連續光輸出功率與泵浦功率的關系

圖5是用光束分析儀測出的激光光束分布圖,可以看出,輸出激光光斑為圓形結構,對稱性較好,在水平和垂直兩個方向上的光強分布都是標準高斯分布,是TEM00模式。利用分辨率為0.02 nm的光譜分析儀測得激光光譜圖如圖6所以,可以看出輸出連續光的中心波長為1063.1 nm,3 dB帶寬為0.74 nm。

4.2 激光器的調Q和鎖模運轉

實驗中,把MoS2-SA置于光纖準直器S1與S2之間。經過反復實驗比較,選取摻鐿雙包層光纖長度為3 m。實驗剛開始,泵浦功率較小,示波器上沒有調Q脈沖出現,只有連續光輸出。增大泵浦功率的同時仔細調節偏振控制器PC,當泵浦功率增加到185 mW時,示波器上開始出現調Q脈沖,此時脈沖的穩定性較差,如圖7所示。由圖7看出在調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,即重復頻率為17.6 kHz；此時平均輸出功率較小,約為0.15 mW。增加泵浦功率,同時保持PC狀態不變,發現脈沖串輸出快速趨于穩定。當泵浦功率為560 mW時,激光器輸出脈沖如圖8所示。此時調Q脈沖寬度最窄可達到45 ns,脈沖間隔為16.2 μs,重復頻率為61.7 kHz,平均輸出功率為2.18 mW。從脈沖序列可以看出,此時的調Q 脈沖沒有出現高低不平的現象,MoS2可飽和吸收體對光路的調制非常穩定。

圖5 激光光束分布圖

圖6 連續激光的光譜圖

圖7 泵浦功率185mW時調Q單脈沖波形及調Q脈沖序列波形

圖8 泵浦功率560 mW時調Q單脈沖波形圖及調Q脈沖序列波形圖

圖9是調Q重復頻率及脈沖寬度隨泵浦功率的變化關系,圖10是激光器的調Q輸出功率和單脈沖能量與泵浦功率的關系,單脈沖能量是根據激光平均輸出功率以及脈沖寬和重復頻率三者計算得到的。從圖8、圖9、圖10可以看出:在泵浦功率從185 mW增加到560 mW的過程中,輸出功率及脈沖重復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,脈沖重復頻率從17.6 kHz增加到61.7 kHz。而且,調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,這種現象是調Q激光器的一個重要特征。單脈沖能量隨泵浦功率的增加有趨近飽和的趨勢,當泵浦功率為540 mW時,單脈沖能量最大為38 nJ。這可能是MoS2可飽和吸收體出現了過飽和現象,泵浦功率不能再大幅增加。

圖9 重復頻率及脈沖寬度與泵浦功率的關系

圖10 平均輸出功率和單脈沖能量與泵浦功率的關系

對以上現象可以做如下解釋:隨著泵浦功率的升高,泵浦速率增大,反轉粒子數密度提高,峰值光子數增加,導致MoS2-SA在短時間內達到飽和,從而釋放出較窄脈沖。同時,據調Q脈沖重復頻率f的相關分析[17]可知,可飽和吸收體的飽和狀態決定調Q脈沖的產生,隨著泵浦功率增加,可飽和吸收體的增益增加,脈沖所需要形成時間縮短,單位時間內輸出的脈沖數增加,即脈沖重復頻率增加。同時將脈沖寬度、脈沖重復頻率與相關計算方法相結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。

當泵浦功率達到560 mW時,繼續增加泵浦功率,調Q脈沖隨之消失,這時仔細地、反復調節偏振控制器PC,并慢慢地增加泵浦功率,示波器上出現不穩定的調Q鎖模序列,如圖11所示。由于擔心泵浦功率過大,會導致MoS2可飽和吸收體損傷,泵浦功率沒有再繼續增加,故尚未出現穩定的、調制深度較高的鎖模脈沖。經分析,可飽和吸收體的厚度,以及腔結構都是導致鎖模深度不高的原因,后期的實驗中將對飽和吸收體的制作方法和激光腔結構加以改進以期得到調制深度為100 %的鎖模脈沖。

圖11 不穩定的調Q鎖模脈沖

5 結 論

本文研究了980 nm LD端面泵浦摻鐿光纖激光器的連續和調Q的運轉。實驗中在3 m最佳增益光纖長度下,得到中心波長1063 nm、輸出功率270 mW、斜率效率為21.5 %的連續激光輸出。采用自制的二硫化鉬作為可飽和吸收體,當泵浦功率在185～560 mW變化的過程中,得到了穩定的調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,脈沖重復頻率從17.6 kHz增加到61.7 kHz。而且,調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,當泵浦功率為540 mW時,單脈沖能量最大為38 nJ。脈沖寬度、重復頻率、平均輸出功率與泵浦功率近似呈線性關系。在實驗中還發現,繼續增加泵浦功率,調Q狀態消失,不穩定的調Q鎖模序列進而出現,今后計劃改善實驗條件,以期出現穩定的、調制深度接近100 %的鎖模脈沖。實驗表明:二硫化鉬是一種優異的可飽和吸收體,不久的將來有望代替石墨烯、SESAM、SWNT等材料成為一種新型的激光鎖模、調Q 器件。