基于金纳米棒可饱和吸收体的被动调Q掺铒光纤激光器

许 阳，康 喆，贾志旭，刘 来，赵 丹，秦冠仕，秦伟平

(集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区吉林大学电子科学与工程学院，吉林长春 130012)

1 引 言

近年来，光纤激光器由于其具有结构紧凑、阈值低、效率高、光束质量好等优点而备受关注。人们对于光纤激光器，尤其是脉冲光纤激光器进行了大量的研究［1-5］。其中，调Q光纤激光器和锁模光纤激光器作为两种主要脉冲光纤激光器，在军事、通信、工业加工、生物医学等领域有着广阔的应用前景［1-6］。与锁模激光器相比，调Q激光器具有结构更简单、成本更低等优点［7］。调Q光纤激光器主要由主动和被动两种形式实现。其中，主动调Q由外加的调制器实现［8］，而被动调Q由可饱和吸收体实现。与主动调Q相比，被动调Q激光具有结构简单、可实现全光纤集成、稳定性好以及造价低廉等特点［7，10-11］。目前，常用的可饱和吸收体有半导体可饱和吸收镜(Semiconductor saturable absorber mirror，SESAM)、石墨烯(Graphene)、碳纳米管(Carbon nanotube，CNT)等。2011年，D.Popa等［7］利用 Graphene作可饱和吸收体在 1.5 μm 附近实现了脉宽为 2 μs、脉冲能量为40 nJ的可调谐激光输出(1 522～1 555 nm)。2012 年，Weiqiang Yang等［10］利用 SESAM作为可饱和吸收体在2 μm附近实现了91 mW平均功率、80 kHz 重复频率、490 ns 脉宽、1.14 μJ单脉冲能量的激光输出。2012年，Lei Liu等［11］利用CNT作为可饱和吸收体在1.5 μm附近实现了重复频率 23.8 ～66.2 kHz、脉宽 2.6 ～9 μs、约 0.5 nJ 最高单脉冲能量的双波长脉冲激光输出。近些年来，对以上3种可饱和吸收体的研究已经相当广泛和深入。探索新型的可饱和吸收体对推动调Q激光技术的进一步发展具有重要意义。

本文报道了一种新的可饱和吸收体——金纳米棒(AuNRs)，并通过将其集成于全光纤环形激光腔中实现了被动调Q掺铒光纤激光器。在205 mW泵浦功率下，获得了脉冲宽度为10 μs、平均输出功率为6.9 mW、单脉冲能量为219 nJ的激光输出。这种新型可饱和吸收体将会拓展调Q脉冲激光的研究范围，并推动脉冲激光技术的进一步发展。

2 实 验

AuNRs由种子生长法［13］制备。室温下，将10 mL浓度为0.5 mmol/L的氯金酸(HAuCl4)溶液与10 mL浓度为0.2 mmol/L的十六烷基溴化铵(CTAB)混合，待混合液分散均匀后，加入1 mL 0.2 mmol/L的硼氢化钠(NaBH4)溶液并搅拌约10 min，此时溶液颜色由深黄色变为棕黄色。静置2 h后，便得到金种子溶液。室温下将12.5 mL浓度为0.2 mol/L的5-溴水杨酸(5-bromosalicylic acid)溶液与20 mL浓度为 0.05 mol/L的CTAB混合，同时加入2 mL浓度为4 mmol/L的硝酸银(AgNO3)溶液，混合均匀后，将1 mL浓度为 0.1 mmol/L的抗坏血酸(Vc)在连续搅拌的条件下加入混合液，以形成生长溶液。最后，将1 mL已制备的金种子溶液加入生长溶液中。将所制得的溶液室温下静置48 h以保证其能生长出AuNRs。然后，将所得的AuNRs溶液与配好的质量分数为1%的成膜剂羧甲基纤维素钠(NaCMC)溶液混合，超声处理6 h使其混合均匀，得到金纳米棒-羧甲基纤维素钠(AuNRs-NaCMC)混合液。静置24 h后，将所得的AuNRs-NaCMC混合液涂于载玻片上，干燥后便得到金纳米棒可饱和吸收体薄膜。与光学性质各向同性的球形金纳米粒子相比［6-15］，AuNRs为棒状结构，其光学性质并非各向同性，因而存在由横向等离子共振和纵向等离子共振产生的两个吸收峰。此处我们用到的为其纵向吸收峰。另外，通过改变金纳米棒的长径比，可以使其吸收峰在可见波段到红外波段的宽范围内移动［13，15-16］。

图1(a)为金纳米棒的透射电镜(Transmission electron microscope，TEM)图，图 1(b)为其吸收谱。通过图1(a)可以看到，样品形貌为棒状，长度约为100 nm，直径约为20 nm，长径比约为5。从图1(b)可以看出，AuNRs由纵向等离子共振产生的吸收峰具有极宽的吸收带(800～1 600 nm)，因此其能够在1.56 μm附近实现调Q激光脉冲输出。图1(c)为测得的金纳米棒的归一化激光透过率与泵浦功率密度的关系(泵浦源为输出脉冲宽度500 fs、中心波长1 560 nm的脉冲光纤激光器)，展示了金纳米棒的可饱和吸收性。数据显示金纳米棒的调制深度约为4.5%，饱和功率密度约为1.67 MW/cm2。

图1 (a)金纳米棒TEM图;(b)金纳米棒吸收谱;(c)金纳米棒归一化激光透过率与泵浦功率密度的关系。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.

图2 金纳米棒被动调Q掺铒光纤激光器实验装置图Fig.2 Schematic setup of AuNRs passively Q-switched erbium-doped fiber laser

本实验所用的实验装置如图2所示。在实验中，我们采用环形光纤激光腔结构。所用的泵浦源是976 nm半导体激光器(976 nm pump LD)，通过一个980/1 550 nm波分复用器(WDM)将泵浦光耦合进激光腔内。所用的增益介质为一段20 cm的高掺杂掺铒光纤(EDF)。所用的可饱和吸收体为AuNRs-NaCMC混合薄膜。激光腔中的1 550 nm隔离器(ISO)是为了保证光在腔内单方向传输。利用一个1 550 nm的10 dB耦合器(10%OC)来输出脉冲激光。

3 结果与讨论

激光器搭建完毕后，调整976 nm半导体激光器泵浦功率，当泵浦功率增至30 mW时，开始出现稳定的调Q脉冲。继续增加泵浦功率，直至约205 mW，激光器依然能保持稳定的调Q激光输出。图3给出了泵浦功率约为80 mW时的输出脉冲序列以及单个输出脉冲。此时脉冲重复频率约为17.5 kHz(对应脉冲间隔约 57 μs)，脉冲宽度约为16 μs。图4给出了输出激光的光谱，激光中心波长约为1 560 nm。连续激光经可饱和吸收体调制为调Q脉冲激光后，激光脉冲的窄化对应频域的展宽，故所得脉冲光谱宽度与连续激光相比有较明显的展宽。

图3 (a)输出脉冲序列;(b)单个输出脉冲。Fig.3 (a)Output pulse train of the laser.(b)Single pulse profile of the laser.

图4 激光器输出光谱Fig.4 Emission spectrum of the laser

图5给出了输出激光脉冲宽度及重复频率与泵浦功率的关系。当泵浦功率为30 mW时，脉冲宽度约为20 μs，重复频率约 6.6 kHz;随着泵浦功率增至205 mW，脉冲宽度下降至约10 μs，而重复频率增至约31.5 kHz。输出脉冲宽度随泵浦功率的增大而减小、而重复频率随泵浦功率的增大而提高是被动调Q激光器的典型特征［11］，这是由泵浦速率随着泵浦功率的增大而提高引起的［6］。图6为激光器输出功率随泵浦功率的变化图。由图6可知，该激光器的光-光转换效率约为3.6%。随着泵浦功率自30 mW增至205 mW，输出功率由约1 mW增至约6.9 mW，所对应的单个脉冲能量最高达219 nJ。

在制作AuNRs可饱和吸收体时，我们加入了成膜剂NaCMC。为了确保调Q是由AuNRs实现，我们只将NaCMC薄膜置于激光腔中，观察其输出光谱及脉冲。图7(a)和图7(b)分别为泵浦功率升至205 mW时所得的输出光谱以及输出激光的示波器显示，可以看到只有连续光的输出而没有任何形式脉冲光的输出，这证实了我们所得到的调Q激光输出由AuNRs实现。

图5 输出脉冲宽度和重复频率随泵浦功率的变化Fig.5 Dependence of the pulse duration and repetition rate on the pump power

图6 激光器输出功率随泵浦功率的变化Fig.6 Out power of the laser as a function of the pump power

图7 (a)只将NaCMC薄膜置于腔中时的输出光谱;(b)只将NaCMC薄膜置于腔中时输出激光的示波器显示。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 结 论

利用种子诱导生长法制备了长径比为5的金纳米棒，实现了基于新型可饱和吸收体——金纳米棒的被动调Q掺铒光纤激光器，得到了阈值为30 mW的稳定调Q激光输出。当泵浦功率增至205 mW时，输出最大平均功率约为6.9 mW，单脉冲能量高达219 nJ。此外，由于金纳米棒吸收峰位置与其长径比的依赖性，金纳米棒有潜力成为覆盖多个波段的新型可饱和吸收体。

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