基于MoOsub3sub可饱和吸收体的掺镱被动锁模光纤激

发布者:admin 发布时间:2019-10-23 03:34 浏览次数:

  锁模光纤激光器具有时域脉宽窄、峰值功率高、光束质量好、结构紧凑等优点, 被广泛应用于精细加工、光纤传感、光谱学、生物化学研究等诸多领域.产生锁模脉冲的方法有主动锁模.被动锁模光纤激光器具有结构紧凑、成本低廉和设计灵活等优点,常见的被动锁模方式有可饱和吸收体锁模、非线锁模,当一些应用领域要求连续的脉冲能量和高重复频率时, 需要连续锁模光纤激光器, 而工作在调锁模状态的光纤激光器具有渐增的脉冲能量和相对更高的峰值功率, 可以应用于非线性频率转化、光参量振荡器(Optical Parametric Oscillator, OPO)和微结构加工等领域.可饱和吸收体锁模主要是利用可饱和吸收材料的非线性吸收特性, 对光脉冲产生周期性的调制实现锁模.传统的可饱和吸收体主要有半导体可饱和吸收镜(Semiconductor Saturable Absorber Mirrors, SESAMs)

  8]、碳纳米管(Carbon Nanotubes, CNTs)[9-10]和石墨烯[11], SESAMs的制作工艺较为复杂, 生产成本较高, 可饱和吸收光谱范围较窄, 这限制了它的使用.碳纳米管和石墨烯制备成本较为低廉, 可饱和吸收光谱范围宽, 因此被广泛用作锁模器件, 但在制备过程参数具有不可控性, 如石墨烯的层数均匀性、CNTs的直径等.近年来, 具有非线性吸收特性的新型材料被用来制备可饱和吸收体, 如黑磷、拓扑绝缘体(Bi2Te3, Bi2Se3, Sb2Te3)[12-13]和过渡金属硫化物(MoS2, WS2, SnS2)[14-15]等, 这些材料具有较宽的可饱和吸收光谱范围、可控的调制深度、超快的恢复时间且易于制备等诸多优点. 2014年, SOTOR J等[16]首次报道了以Sb2Te3为可饱和吸收体的掺铒光纤激光器. 2015年, CHEN等[17]报道了以黑磷作为新型可饱和吸收体, 实现了调Q和锁模脉冲输出. 2017年, LI等[18]报道了将以聚乙烯醇为基质的SnS2薄膜作为可饱和吸收体, 实现了重复频率为39.33 MHz、脉宽为656 ps、中心波长为1 062.33 nm的锁模脉冲输出.本文将聚乙烯醇为基质的MoO3二维纳米片薄膜作为新型材料应用于锁模光纤激光器, 该材料具有较好的可饱和吸收特性、调制深度易于控制、制备较为简单等优点.实验中在1.06 μm处测试了可饱和吸收体的调制深度约为5%, 非饱和吸收损耗约为30%, 采用环形腔结构, 实现了脉冲宽度为130 ps、中心波长为1 067 nm、具有稳定的连续锁模和调

  锁模脉冲输出的掺镱光纤激光器.在泵浦功率为95~235 mW时, 获得了重复频率为17 MHz的连续锁模脉冲.在泵浦功率为280~400 mW时, 调Q锁模脉冲包络的重复频率在26.51~48.7 kHz之间可调, 包络半高宽在14.6~4.1 μs之间变化.1 实验装置

  可饱和吸收体实物图及其在扫描电镜下的图片.实验中采用液相剥离法制备二维MoO3纳米片的过程为:首先将3g MoO3粉末在0.6 mL乙腈中充分研磨30 min, 再将粉末分散在体积分数各为50%的乙醇/水混合液体(45 mL)中, 在超声波清洗机中振荡10 min以分散均匀; 然后进行超声破碎处理120 min, 在室温下以6 000 rpm离心20 min; 对包含有二维MoO3纳米片的上清液进行收集, 在小容器中逐滴加入3mL上清液得到样品, 最后将样品放在氙灯下进行照射.这种制备方法具有制备简单、无杂质、重复性好、易于大量生产等特点, 并且对绝大多数层状晶体结构材料都起作用.图 1(Fig. 1)

  纳米片的喇曼光谱, 可观测到280、667、816和991 cm-1四个强喇曼峰, 与α-MoO3相符合[19].实验中用中心波长为1.06 μm的测试光源在不同入射光功率密度下测试了MoO3可饱和吸收体的透射率变化, 得到MoO3的调制深度约为5%, 非饱和吸收损耗约为30%, 如图 2(b)所示.图 2(Fig. 2)

  当饱和吸收体放入腔中时, 增加泵浦源的泵浦功率至95 mW, 调节偏振控制器到某一角度时, 产生稳定的自启动锁模脉冲序列, 此时激光器输出功率为0.70 mW, 转换效率为0.73%.在测试脉冲序列时采样频率设置为20 GS/s,根据锁模原理中腔长L与频率f

  c/nL(c表示真空中的光速,n表示传输介质的折射率), 可以得到在腔长为12.2 m时, 对应锁模基频为17 MHz.由图 4(c)可以看到锁模脉冲间隔为58.9 ns(对应17MHz的基频), 观察可知在2 h内, 脉冲波形输出较为稳定, 脉冲间隔基本相等, 在脉冲幅度上稍微会有点抖动, 但多个脉冲幅度抖动不大, 此时激光器工作在连续锁模状态.分析认为:之所以脉冲峰值有一定的抖动, 是因为示波器采样频率不够, 导致有时候无法采样到脉冲最高点.此外, 温度、振动、泵浦功率波动等因素都会对腔长造成一定的影响, 会导致脉冲重频发生微小的改变, 所以脉冲间隔会有一定抖动.如图 4(a)和(b)

  所示, 单脉冲宽度为130 ps, 光谱中心波长为1 067.06 nm, 谱线 nm.当泵浦光功率在95~235 mW时, 相应的输出功率在0.70~5.25 mW之间变化, 均可保持较为稳定的锁模脉冲序列输出, 脉冲宽度一直保持在130 ps(由于示波器采样频率的限制,能测量的脉宽达到了极限, 实际脉冲宽度可能会更小), 通过光谱仪观察, 光谱形状基本稳定.

  Q锁模的脉冲序列形状.此时相邻脉冲包络的时间间隔为25.8 μs(相应于重复频率为38.76 kHz), 包络半高宽为6.8 μs, 调节示波器的显示范围, 可以看到隐藏在调Q脉冲包络中的锁模子脉冲, 锁模子脉冲的宽度基本保持130 ps不变, 子脉冲间隔为58.9 ns, 重复频率为17 MHz, 与腔长符合.图 5(c)是调Q锁模时的光谱图, 中心波长为1 067 nm, 谱线 nm, 比锁模时的光谱宽度更宽, 变宽的原因可能是调Q锁模脉冲宽度变窄, 但由于示波器测量脉宽达到了极限, 无法准确地测出其宽度.图 5(Fig. 5)

  Q锁模包络重复频率及包络宽度随泵浦功率的变化曲线, 调Q包络重复频率从26.51 kHz变化到48.7 kHz, 包络半高宽从14.6 μs变化到4.1 μs, 包络变化符合调Q脉冲变化趋势, 而子脉冲间隔不变.在整个调Q锁模过程中, 光谱的中心波长始终保持在1 067 nm左右, 随泵浦功率变化不明显.分析认为:从锁模状态变为调Q锁模状态的原因是由于在泵浦功率增加的情况下, 单脉冲能量增加, 光纤锁模向另一种锁模状态转变, 而调Q锁模是一个过渡状态, 更高功率下可能仍会出现连续锁模, 另一种锁模态的细节目前尚不清楚, 分析可能需要更大的单脉冲能量支持其稳定锁模, 这部分工作将在后续开展.图 6(Fig. 6)

  Q锁模脉冲包络的重复频率在26.51~48.7 kHz之间可调, 包络半高宽在14.6~4.1 μs之间变化, 相应的输出功率为6.28~11.02 mW.这些研究结果表明利用MoO3可饱和吸收体的非线性吸收特性可以实现光纤激光器的锁模脉冲运转.参考文献


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