调Q锁模激光器创新实验设计

张 刚, 焦志勇, 刘 鹏, 贾玉磊

(中国石油大学(华东) 理学院, 山东 青岛 266580)

提高学生创新实践能力一直是教学改革的重要方向,设计结合学科前沿的研究性实验项目,有助于学生将所学理论知识应用于实验过程,实现理论水平与实践能力同步提升[1-4]。

激光类课程是光电专业核心课程,但其理论知识较为抽象、枯燥。在教学实践过程中,学生普遍反映对激光器内部构造的认识较为模糊,理解其实现原理较困难。因此,本文将科研平台运用到本科生教学,学生独立完成激光器搭建、数据分析等活动,对巩固理论教学成果,锻炼动手能力,培养创新意识至关重要[5-8]。

1 实验设计依据

由于宽带饱和吸收特性和显著的非线性光学性质,越来越多的二维材料被用在全固态脉冲激光器中[9-11]。以二硫化钼为例,因其饱和强度低、调制深度大和损伤阈值高等优点，有助于在学生实验中应用,利于实现稳定的激光脉冲输出[12-13]。学生完成二维材料可饱和吸收体制作过程,可以让学生获得材料的相关知识,加深对理论知识的理解,提升实验操作能力。

激光器调节实验是光电专业常设的实验项目,但具体实践中,常常是成熟激光器的简单复原,内容固化。如果将新型材料应用于激光器,通过调节谐振腔以及优化可饱和吸收体性质实现激光脉冲的最佳输出,将有利于学生独立思考,锻炼学生的创新思维,提升学生创新能力。

本实验设计中,将二硫化钼可饱和吸收体的制作和调Q锁模激光器调谐有机结合。可饱和吸收体制作工艺影响激光器输出参数,激光器输出特性指导二硫化钼可饱和吸收体制作,两者相辅相成。实验过程中,学生利用“激光原理与技术”及“半导体物理与器件”等课程所学内容,独立完成各项操作,实现调Q锁模激光脉冲输出特性的优化,提高学生学习兴趣,培养学生科学素养。

2 实验设计

2.1 可饱和吸收体制做实验

激光器性能的研究离不开高性能的材料,材料制备是光电专业学生需要应该具备的技能之一。因此,本实验要求学生首先完成二硫化钼可饱和吸收体的制作。

目前可饱和吸收体的制作方法主要有化学气相沉积法(CVD)、分子束外延生长法(MBE)以及液相剥离法等方法[14-16]。考虑时间成本以及操作的难度,本实验采用液相剥离方法。该方法步骤：第一步,将10 mg二硫化钼粉末溶解在10 mL去离子水中,可选择多配几组；第二步,利用超声清洗机分离大颗粒,超声处理10 min,获得二硫化钼悬浮溶液；第三步,使用离心机,将悬浮溶液以7 000 r/min的转速离心15 min,得到二硫化钼溶液；第四步,将所得溶液均匀旋涂在石英片上；最后将石英片放入60 ℃的干燥皿中干燥,即完成可饱和吸收体的制作。

制作完成的可饱和吸收体可以利用拉曼光谱仪和扫描电子显微镜进行表征。图1给出了可饱和吸收体的拉曼谱。

图1 二硫化钼可饱和吸收体的拉曼谱

图2给出了二硫化钼可饱和吸收体在扫描电子显微镜下的图像。同时利用分光光度计可以测得1 064 nm波段的透过率为88.8%。该数据可与之后激光器实验中的输出参数进行对比研究。

图2 二硫化钼可饱和吸收体的扫描电镜照片

2.2 调Q锁模激光器实验

2.2.1 实验装置

选择调Q锁模激光器,主要是由于其操作难度适中,能最大限度地锻炼学生的动手能力。图3为实验装置结构图。实验中采用“Z”型谐振腔,输入耦合镜由平面镜M1充当,其一面镀808 nm高透膜,另一面镀808 nm高透、1 064 nm高反膜。M2、M3分别为曲率半径是400 mm、200 mm的平凹镜,均镀有1 064 nm高反膜,M4是曲率半径为200 mm的平凹镜,其在1 064 nm波段透过率为8%。腔长L1、L2和L3分别为25 cm、40 cm和11 cm。

图3 调Q锁模激光器实验装置结构图

实验中使用的泵浦源是发射波长为808 nm的激光二极管(LD),通过光纤耦合输出,输出光斑直径约为400 μm。激光晶体为Nd:YVO4晶体,尺寸为3 cm×3 cm×5 cm,外立面镀有808 nm和1064 nm高透膜。为了减小晶体的热效应,将晶体用铟箔包裹,置于紫铜块中,采用水循环方式冷却,温度控制在16 ℃。实验中选用硅偏置探测器和1 GHz带宽示波器测量脉冲宽度和记录脉冲波形,使用意大利LaserPoint公司的功率计测量脉冲输出功率。

2.2.2 实验结果分析

通过输出功率、脉冲宽度以及脉冲重复频率等参数来评价激光器输出性能。输出功率分析从两个方面进行：未加可饱和吸收体时,注意连续输出激光输出功率的记录；加入可饱和吸收体后,观察调Q锁模激光器的输出功率。图4给出了连续脉冲(CW)和调Q锁模脉冲(QML)两种情况的平均输出功率随泵浦功率变化的规律曲线。连续输出激光阈值为3 W,随着泵浦功率从3 W增加到10 W,平均输出功率由10 mW增加到1.2 W，光光转换效率为20%。调Q锁模状态下,激光脉冲输出阈值达到3.8 W,输出功率的变化规律与连续激光一致,均随泵浦激光增加而增加。当泵浦功率达到10 W时,输出功率为643 mW。

图4 连续输出和调Q锁模两种状态下的平均输出 功率随泵浦功率的变化曲线

调Q包络的脉冲宽度和重复频率的变化规律见图5。

图5 调Q包络的脉冲宽度和重复频率随泵浦功率的变化图

包络宽度从7 μs降到1 μs,可见随着泵浦功率的增加,调Q包络迅速被压缩,包络内的锁模脉冲数量减少。调Q包络的重复频率随泵浦功率的增加而升高。当泵浦功率达到10 W时,重复频率为85 kHz。根据输出功率以及包络重复频率的数值,可以算出单脉冲能量,相关变化规律如图6所示。

图6 脉冲能量的变化趋势图

图7为泵浦功率10 W时不同时间间隔下的调Q锁模波形。

图7 不同时间间隔下示波器显示的调Q锁模波形

图7(a)是调Q包络脉冲链,可以得到脉冲重复频率为85 kHz以及脉冲稳定性数据。图7(b)是单个调Q包络图形,调Q锁模脉冲的调制深度可以通过观察计算得出，该图给出的脉冲调制深度接近90%。图7(c)是调Q包络的展宽图,展示调Q包络内的锁模脉冲。脉冲间隔为5 ns,与光在腔内的振荡时间一致。

3 实验拓展

该实验属于应用性与研究性并重的实验项目。学生可以根据激光器实验所得数据从3个方面进行扩展。第一,可饱和吸收体制作过程的控制,从溶液配比到旋涂干燥等过程,都可以由学生自主控制,以期获得稳定性能的可饱和吸收体；第二,更换其他二维材料制作可饱和吸收体,进行性能比较,寻找更加适合激光稳定高效输出的材料；第三,激光器参数优化,根据输出功率与脉冲宽度2个重要参数指标,改变激光器参数,实现激光器输出性能优化。拓展部分可以作为大学生创新实验内容实施。

4 结语

提升大学生实践创新能力是大学教学的核心内容之一。本实验设计以学生理论课程所示知识为基础,结合学科前沿,注重实验设计的合理性、前沿性和创新性。学生通过可饱和吸收体制作和激光器输出特性两部分实验,达到开阔视野、激发兴趣、提升创新能力的目的，为相关专业学生就业以及深造打下良好基础。