倏逝场作用氧化石墨烯大能量耗散孤子锁模双包层光纤激光器

吴端端,黄义忠,罗正钱,蔡志平,许惠英

(厦门大学信息科学与技术学院,福建 厦门 361005)

石墨烯因其独特的二维原子结构表现出优异的光可饱和吸收性能,可作为优越的锁模或调Q器件，因此,近几年来基于石墨烯锁模/调Q光纤激光器的研究备受关注,是最近激光器研究领域的热点之一．相比较地,氧化石墨烯不仅具有与石墨烯相媲美的可饱和吸收特性[1],同时,由于官能团的存在,还具有很强的亲水性,且直接制备氧化石墨烯水溶液的工艺比石墨烯更为简单、制作成本更低．因此,使用氧化石墨烯可能将更有益于实现锁模激光器的商业化．

2009年,剑桥大学研究小组[2]与新加坡南洋理工大学研究小组[3]分别率先报道了石墨烯锁模掺铒光纤激光器．随即掀起了国际上对石墨烯锁模光纤激光器的研究热潮[4-12]．石墨烯锁模从正色散腔至负色散腔，从近红外1 μm至中红外2 μm，从稀土增益光纤至非线性拉曼增益光纤等等,各方面的研究工作均已展开．其中,石墨烯锁模的反常色散腔因易于产生传统的光孤子,限制了孤子脉冲能量(通常小于1 nJ);为获得大脉冲能量锁模脉冲,研究者们通常采用正常色散腔锁模来获得耗散孤子[13]．然而,目前基于石墨烯锁模产生耗散孤子的能量仍不够高[14],主要归咎于:1) 使用端面型石墨烯饱和吸收器件,因腔内激光直接穿透石墨烯,易导致石墨烯热损伤,不利于高能量锁模脉冲的产生．2) 使用单模稀土掺杂光纤导致增益易饱和;Zhao等[14]使用端面型石墨烯饱和吸收体实现了石墨烯锁模耗散孤子,但其单脉冲能量仅为0.41 nJ．如果采用锥形光纤,石墨烯与表面倏逝光相互作用,散热性能好,益于高功率运转．因此,若采用倏逝场作用石墨烯或氧化石墨烯构成耐高功率可饱和吸收体将是可行的方案之一．

另一方面,若采用大模场面积光纤作为增益光纤,易于大泵浦功率注入,获得足够大光增益,即可产生超大能量锁模脉冲[9,15-16]．利用石墨烯锁模掺镱双包层光纤激光器,Liu等[9]已成功获得单脉冲能量163 nJ脉冲,但锁模脉冲并未表现出耗散孤子特征．本文利用975 nm大功率半导体激光器泵浦正色散掺镱双包层光纤激光器,采用倏逝场作用的氧化石墨烯作为可饱和吸收体,得到了151 nJ高能量耗散孤子脉冲输出．大能量耗散孤子的形成主要归因于熔锥光纤带通滤波特性、光纤增益带宽限制、正色散和腔内非线性效应等共同作用的结果．

1 实验装置和原理分析

大能量耗散孤子锁模掺镱双包层光纤激光器的实验装置如图1所示．最大输出功率9 W的975 nm LD通过980/1 064 nm合束器泵浦一段10 m长的保偏双包层掺镱光纤(YDF,5/130,包层吸收1.7 dB/m @975 nm,工作波长1 060～1 115 nm)．350 m长的单模掺磷光纤插入腔内 (色散值约-4 ps/nm/km波长1 064 nm,截止波长1 000 nm),其主要作用为:1) 加长腔长,降低锁模脉冲的重复频率,从而易于获得大脉冲能量输出;2) 长腔有利于降低锁模阈值[17]．偏振控制器用于调节腔内偏振态优化锁模运转,氧化石墨烯沉积的熔锥光纤作为可饱和吸收体．2个耦合器构成宽带光纤环形反射镜(FLM1、FLM2),形成激光线性谐振腔．其中,FLM1是耦合比为50∶50的耦合器构成的全反镜;FLM2是耦合比为80∶20的耦合器构成,光透射率为36%．我们采用线形腔结构(腔体有效腔长是环形腔的2倍),能增加有效腔长使输出激光的重复频率降低,更加有利于增加单脉冲能量．激光输出的脉冲通过1 GHz的光电探测器连接到示波器和频谱分析仪监测,同时利用光谱分析仪观察其锁模光谱特性．

图1 实验装置图Fig.1 Experimental setup

实验中,氧化石墨烯沉积的熔锥光纤至关重要．氧化石墨烯制备方法如下:首先采用改进的Hummers法从天然石墨中获得氧化石墨粉体,然后通过高强度超声波震荡制成氧化石墨烯水溶液[18]．经过熔锥光纤倏逝场将溶液中氧化石墨烯片沉积至锥腰部位,这部分的详细过程参见我们之前的工作[19]．本实验所用熔锥光纤是拉伸16 mm后得到的,锥腰直径为7 μm,沉积后的锥体损耗约为2 dB．图2是熔锥光纤氧化石墨烯器件的透射谱和YDF的放大自发辐射光．从图中可以看出,熔锥光纤氧化石墨烯器件对光波长具有选择性,具有梳状带通滤波作用,这起源于熔锥部位存在多模干涉传输效应．尽管YDF具有较宽的增益带宽,然而从图中放大自发辐射光可知,其在1 080 nm附近增益最强．结合熔锥光纤自身的带通滤波特性与YDF的增益特性,这将有利于耗散孤子的形成．

图2 熔锥光纤氧化石墨烯器件透射谱(a)和YDF增益谱(b)Fig.2 Transmission spectrum of fiber taper grapheme component and gain spectrum of YDF

2 实验结果分析

激光器阈值约为290 mW,锁模阈值398 mW．当泵浦功率达到537 mW时,通过PC调节腔内偏振态,可以获得稳定的锁模脉冲,图3为实验测量得的基波锁模典型脉冲序列图．可以看出，脉冲周期为3.5 μs,重复频率271.4 kHz,为激光腔的基本振荡频率．图3插图为1 ms范围的锁模脉冲序列图,从图中可以看出激光器运行在稳定的锁模状态．通过光谱分析仪(分辨率为0.01 nm)测量了激光器的输出光谱,如图4所示．该光谱的中心波长约为1 085 nm,谱宽约为4 nm．光谱两边各有1个峰,边沿陡峭,说明这是一个典型的耗散孤子锁模光谱．

插图为1 ms范围的锁模脉冲序列图.图3 耗散孤子基频锁模的脉冲序列图Fig.3 Pulse train of dissipative-soliton mode-locked pulse at the fundamental frequency

图4 耗散孤子锁模输出光谱Fig.4 Output spectrum of dissipative-soliton mode-locked YDF laser

为进一步观察锁模的稳定状态,实验中同时通过频谱分析仪测量耗散孤子锁模的频谱,如图5所示．锁模基频为271.4 kHz,信噪比约为57 dB,说明锁模工作在稳定的状态．插图为各次谐波的频谱图,从图中可以看出,激光器处于连续波锁模状态,频谱中包含较强的基底噪声是仪器(GWINSTEK GSP-930)自带的电噪声．

插图为耗散孤子锁模各次谐波频谱图.图5 耗散孤子锁模基频频谱图Fig.5 Frequency spectrum of dissipative-soliton modelocked pulse at the fundamental frequency

当泵浦功率从398.2 mW逐渐上升到676.1 mW时,测量了激光器输出功率和耗散孤子锁模单脉冲能量随泵浦功率的变化曲线,如图6所示．耗散孤子锁模的输出功率和单脉冲能量随泵浦功率的增加接近线性增加．当泵浦功率为676.12 mW时,激光器获得了最大39 mW的输出功率,计算可得最大单脉冲能量约为151.54 nJ.激光器获得高能量脉冲的主要原因是:1) 采用包层泵浦技术,以高功率泵浦YDF,获得高增益;2) 使用线形腔增加腔长,降低重复频率；3) 采用倏逝场作用的氧化石墨烯可饱和吸收体,易于耐高功率．

图6 单脉冲能量、输出功率与泵浦功率的关系Fig.6 Relationship between single pulse erergy, output power and pump power

3 结 论

本文实现了倏逝场作用型氧化石墨烯的可饱和吸收体用于锁模掺镱双包层光纤激光器产生大能量耗散孤子．利用熔锥光纤倏逝场诱导沉积氧化石墨烯方法,制备了熔锥光纤可饱和吸收体．同时,结合光纤包层泵浦技术,我们在掺镱双包层光纤激光器中获得了大能量耗散孤子,其单脉冲能量最高可达151.54 nJ，重复频率271.4 kHz、信噪比57 dB．大能量耗散孤子的形成是包层泵浦、倏逝场作用型可饱和吸收体、熔锥光纤自身的带通滤波特性、光纤增益带宽限制、腔内光学非线性及色散等因素相互作用的结果．

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