大脉冲能量单层CVD石墨烯被动调Q掺镱双包层光纤激光器

吴 健,吴端端,黄义忠,罗正钱,许惠英,蔡志平

(厦门大学 信息科学与技术学院,光电子技术研究所,福建 厦门 361005)

光纤激光器具有转换效率高、体积小、光束质量好、结构紧凑、散热方便等优点,已广泛应用于光纤通信、材料加工、传感等领域[1-3]．尤其是高功率、大脉冲能量、高稳定度的脉冲光纤激光器,在工业加工、医疗、科学研究等领域有着广阔的应用前景[4]．目前,被动调Q由于无需额外的电子Q开关器件,如声光调Q器、电光调Q器,即可较廉价获得高质量的调Q脉冲而备受青睐．被动调Q的关键在于插入到激光谐振腔中的可饱和吸收体,20多年来,已发现多种可饱和吸收体,包括过渡族金属掺杂晶体、半导体可饱和吸收镜(SESAM)、碳纳米管(CNT)等[5-7]．但过渡族金属掺杂晶体由于其块状结构而不利于全光纤化;SESAM虽然恢复时间快,稳定性好,但其制备工艺复杂,成本高;CNT具有价格低廉,超快恢复时间等优点,但其可饱和吸收波长取决于他的管径,且制备时管径可控性差,难以实现真正意义上的全波段可饱和吸收;因此寻找更为有益的可饱和吸收体显得非常必要和迫切．自2004年被发现以来,石墨烯便掀起了世界范围内的研究热潮[8]．由于其独特的二维蜂窝状晶格和零带隙狄拉克锥结构,石墨烯具有独特的光学特性,作为可饱和吸收体时,具有可饱和阈值低、调制深度大、恢复时间快、超宽带可饱和吸收等优势．2009年,Bao等[9]首次将石墨烯作为可饱和吸收体应用于掺铒光纤激光器中,实现了锁模激光输出．2010年,厦门大学Luo等[10]首次利用石墨烯获得了双波长被动调Q掺铒光纤激光器,其重复频率为3.3～65.9 kHz可调,最小脉宽和最大单脉冲能量分别为3.7 μs和16.7 nJ．

目前报道的石墨烯调Q光纤激光器大多数采用多层石墨烯或者聚合物石墨烯[11-13],虽然多层石墨烯可以一定程度上增大其调制深度,但同时增加了其非饱和损耗,从而降低了石墨烯的损伤阈值,使用单层化学气相沉法积(CVD)石墨烯具有非常低的非饱和损耗,其损伤阈值超大,并更能反映石墨烯的光学特性.另一方面,以往的石墨烯调Q光纤激光器大都采用单包层掺铒或者掺镱光纤作为增益介质[11-14],这大大限制了调Q激光的大脉冲能量获得,因此本实验采用掺镱双包层光纤作为增益介质,借助其超大增益,将有望实现高平均功率、大脉冲能量的全光纤石墨烯调Q光纤激光器．

本文利用单层CVD石墨烯作为可饱和吸收体,采用三明治结构,将其插入掺镱环形腔中,实现了调Q光纤激光器．得益于石墨烯优异的可饱和吸收特性和掺镱双包层超大增益和大比例激光输出,获得的调Q激光重复频率为9.7～26.46 kHz可调,最大输出功率为46 mW,最窄脉宽和最大单脉冲能量分别为4.5 μs和1.7 μJ.

1 实验方案

1.1 单层CVD石墨烯调Q器制备

实验用的单层石墨烯是通过CVD生长在铜箔上的,生长过程可参考文献[15]．为将石墨烯插入激光腔中作为调Q器件,石墨烯需从铜箔转移到光纤连接头端面上,具体的转移步骤如下:1) 裁剪一块1 cm×1 cm大小的石墨烯铜箔片,通过匀胶机将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)均匀涂覆在石墨烯表面;2) 浸泡至硫酸铵溶液直至铜箔完全溶解,同时在去离子水中清洗杂质;3) 以光纤连接头端面承载PMMA/石墨烯薄膜,并在烘箱中烘干．获得的PMMA/石墨烯光纤连接头通过法兰盘与另一个全新的光纤端头连接便构成了实验用的PMMA/石墨烯调Q器．保留PMMA,可以避免铜箔溶解过程中造成石墨烯塌陷,同时在光纤端头连接中保护石墨烯．为表征获得的石墨烯调Q器件,我们通过拉曼光谱分析仪测量了石墨烯的拉曼谱,如图1所示,图中直接扣除了PMMA的拉曼特征峰．从图1可得,D峰非常微弱,说明获得的石墨烯质量很高．2D峰的强度与G峰强度的比值大于2,并且2D峰的全半高宽度约为31.75 cm-1,表明获得的石墨烯是单层的[16-17]．图1的插图是制备好的PMMA/石墨烯光纤连接头,从图中明显可见,石墨烯确实转移到了光纤端面．

图1 石墨烯拉曼谱及PMMA/石墨烯光纤端面图Fig.1 Raman spectrum of graphene with photograph of the PMMA/graphene fiber ferrule

1.2 掺镱双包层激光器设计

单层CVD石墨烯被动调Q掺镱双包层激光器实验装置图如图2所示．整个激光器采用环形腔结构,总腔长约10 m．975 nm半导体激光器(LD,BWT DS3-11312-112)作为泵浦源,其最大输出功率为9 W,经过975 nm/1 064 nm合束器泵浦一段4 m长掺镱双包层光纤(YDCF)以获得大脉冲能量调Q激光,F-P滤波器(Micron Optics Inc.Serial NO.10171)作为激射波长选择器件插入腔内,隔离器保证腔内激光的顺时针单向运行,偏振控制器用来调节腔内激光偏振,三明治结构的单层CVD石墨烯调Q器接入腔内以获取高质量调Q脉冲．出于以下考虑:1) 尽量降低入射在石墨烯上的光强,以防止热损伤和过早被“漂白”;2) 经过YDCF放大后,可获得大功率激光输出,我们将功率比为95∶5的耦合器放置在4 m YDCF后,其中95%端输出调Q激光．实验中,我们结合光谱仪(HP 70951B)、示波器(Tektronix TDS1012)和光电探测器、频谱仪(GWINSTEK GSP-930)及功率计(THORLABS PM20CH)分别测量了调Q激光的光谱、时域脉冲、频谱和输出功率．

图2 被动调Q光纤激光器装置图Fig.2 Schematic setup of the passively Q-switched fiber laser

2 实验结果与分析

图3 不同泵浦功率下调Q脉冲序列图Fig.3 The various pulse trains obtained under different pump powers

实验中,在没有加入石墨烯调Q器时,无论是改变泵浦功率还是调节偏振控制器,均不能获得调Q激光．腔内接入石墨烯调Q器后并逐渐增加泵浦功率,当泵浦功率为500.1 mW时,激光开始激射,调Q脉冲出现在518.4 mW．当泵浦功率为536.7，637.3，701.3，756.1 mW时,调Q脉冲序列分别如图3中的(a)～(d)所示．从图中可以看出,不同泵浦功率下,调Q序列几乎没有时间抖动,且振幅抖动都<5%,并且重复频率随着泵浦功率增加而增大,说明实验中获得的调Q激光非常稳定．

图4记录了当泵浦功率为637.3 mW时，石墨烯调Q激光的典型光谱、脉冲序列、单脉冲和频谱.由图4(a)可知，调Q激光的中心波长为1 063.6 nm，其3 dB带宽为0.06 nm，如此窄的光谱宽度是由所采用的F-P滤波器的带宽所决定的，并且有利于抑制自锁模的产生.与其对应得，此时调Q激光的重复频率为17.59 kHz (如图4(b)所示)，并且时间抖动非常小，图4(c)记录了相应的单脉冲形状，其具有sech2型，并且其脉宽为4.8 μs，这与报道的CNT或者石墨烯调Q光纤激光器是相当的，由图4(d)可知，调Q的信噪比约为35 dB，反映了该泵浦功率下，调Q脉冲是稳定运行的.

图5所示为调Q激光重复频率、输出功率、脉冲宽度和单脉冲能量随泵浦功率的变化图．从图5(a)中可以看出,当泵浦功率从518.4 mW逐渐增加到756.1 mW时,重复频率与输出功率几乎都是呈线性增大的,重复频率在9.7～26.46 kHz之间连续可调,输出功率也从6.45 mW逐步增加到46 mW．由图5(b)中可知,脉冲宽度随着泵浦功率的增加先是从15 μs线性减小至约4.5 μs并趋于饱和,这是由于在泵浦功率增加的过程中,石墨烯的吸收损耗逐渐减小,调制深度逐渐增加,使得脉冲宽度线性减小,但当泵浦功率达到一定值时,石墨烯达到饱和状态,即“漂白”状态,因此脉冲宽度趋于一个稳定值．单脉冲能量随着泵浦功率的增加,从0.8 μJ增加至最大值1.7 μJ并伴有下降趋势,并由于石墨烯的“漂白”而达到饱和,这也是迄今为止在全光纤的石墨烯被动调Q激光器中所获得的最大单脉冲能量,这归因于YDCF的超大增益、单层CVD石墨烯的超低损耗和大比例的激光输出．

(a)光谱；(b)脉冲序列；(c)单脉冲；(d)频谱图.图4 泵浦功率为637.3 mW时,石墨烯调Q激光的典型谱图Fig.4 The typical spectra of the graphene Q-switched fiber laser at pump power of 637.3 mW

图5 重复频率与输出功率(a)及脉冲宽度与单脉冲能量随泵浦功率变化图(b)Fig.5 Repetition rate and output power (a) pulse width and single pulse energy (b) versus incident pump power

3 讨 论

本文将CVD法生长的单层石墨烯通过PMMA从铜箔上转移到光纤端面,并采用三明治结构,制备成PMMA/石墨烯调Q器,并将其插入到掺镱双包层环形腔激光器中,实现了全光纤结构、大脉冲能量、稳定的调Q激光输出．当泵浦功率从518.4 mW增加至756.1 mW,调Q激光重复频率在9.7～26.46 kHz之间连续可调,脉冲宽度从15 ns减小至4.5 ns,最大输出功率和单脉冲能量为46 mW，1.7 μJ,这主要归因于单层石墨烯的超低损耗、YDCF的超强增益、大比例功率耦合输出．进一步优化激光器腔结构、增益光纤长度,改进石墨烯调Q器制作方法,将有望使用单层石墨烯实现更大输出功率与单脉冲能量的被动调Q光纤激光器．

[1] Carruthers T F,Duling I N.10-GHz,1.3-ps erbium fiber laser employing soliton pulse shortening[J].Optics Letters,1996,21(23):1927-1929.

[2] Jeong Y,Sahu J,Payne D,et al.Ytterbium-doped large-core fiber laser with 1.36 kW continuous-wave output power[J].Optics Express,2004,12(25):6088-6092.

[3] Kringlebotn J T,Loh W H,Laming R I.Polarimetric Er3+-doped fiber distributed-feedback laser sensor for differential pressure and force measurements[J].Optics Letters,1996,21(22):1869-1871.

[4] Richardson D J,Nilsson J,Clarkson W A.High power fiber lasers:current status and future perspectives[J].JOSAB,2010,27(11):63-92.

[5] Laroche M,Gilles H,Girard S,et al.Nanosecond pulse generation in a passively Q-switched Yb-doped fiber laser by Cr4+:YAG saturable absorber[J].Photonics Technology Letters,IEEE,2006,18(6):764-766.

[6] Huang J Y,Huang S C,Chang H L,et al.Passive Q switching of Er-Yb fiber laser with semiconductor saturable absorber[J].Optics Express,2008,16(5):3002-3007.

[7] Zhou D P,Wei L,Dong B,et al.Tunable passively-switched erbium-doped fiber laser with carbon nanotubes as a saturable absorber[J].Photonics Technology Letters,IEEE,2010,22(1):9-11.

[8] Novoselov K S A,Geim A K,Morozov S V,et al.Two-dimensional gas of massless dirac fermions in graphene[J].Nature,2005,438(7065):197-200.

[9] Bao Q,Zhang H,Wang Y,et al.Atomic-layer graphene as a saturable absorber for ultrafast pulsed lasers[J].Advanced Functional Materials,2009,19(19):3077-3083.

[10] Luo Z,Zhou M,Weng J,et al.Graphene-based passively Q-switched dual-wavelength erbium-doped fiber laser[J].Optics Letters,2010,35(21):3709-3711.

[11] Popa D,Sun Z,Hasan T,et al.Graphene Q-switched,tunable fiber laser[J].Applied Physics Letters,2011,98(7):073106.

[12] Cao W J,Wang H Y,Luo A P,et al.Graphene-based,50 nm wide-band tunable passively Q-switched fiber laser[J].Laser Physics Letters,2012,9(1):54.

[13] Wang Z T,Chen Y,Zhao C J,et al.Switchable dual-wavelength synchronously Q-switched erbium-doped fiber laser based on graphene saturable absorber[J].Photonics Journal,IEEE,2012,4(3):869-876.

[14] Liu J,Wu S,Yang Q H,et al.Stable nanosecond pulse generation from a graphene-based passively Q-switched Yb-doped fiber laser[J].Optics Letters,2011,36(20):4008-4010.

[15] Li X,Cai W,An J,et al.Large-area synthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils[J].Science,2009,324(5932):1312-1314.

[16] Ferrari A C,Meyer J C,Scardaci V,et al.Raman spectrum of graphene and graphene layers[J].Physical Review Letters,2006,97(18):187401.

[17] Graf D,Molitor F,Ensslin K,et al.Spatially resolved Raman spectroscopy of single-and few-layer graphene[J].Nano Letters,2007,7(2):238-242.