基于覆石墨烯锥型光纤可饱和吸收体的掺铥光纤激光器

王小发，顾 斌

(重庆邮电大学 光电工程学院，重庆高校光通信技术重点实验室，重庆 400065)

0 引 言

掺铥光纤激光器(tm-doped fiber laser, TDFL)因其在激光医疗、遥感测量和光通信等领域的应用而受到极大关注[1]。其中，锁模掺铥光纤激光器作为获得2 μm超短脉冲激光光源的一种重要方式，因其输出脉冲能量大、峰值功率高、并处于人眼安全波段而展现出巨大的应用潜力[2]。在锁模掺铥光纤激光器中，锁模态主要分为连续锁模[3]、调Q锁模[4]和类噪声锁模[5]。这3种锁模态有各自的特点，其中连续锁模可以产生超短脉冲，有较低的噪声，调Q锁模脉冲具有很高的峰值功率，而类噪声锁模脉冲具有很宽的光谱带宽，并且能够在长距离色散介质中不失真的传播。目前，实现上述3种锁模状态常用的可饱和吸收体分为以下2类：①以石墨烯、氧化石墨烯[6](graphene oxide, GO)、半导体可饱和吸收镜[7](semiconductor saturable absorber mirror, SESAM)、碳纳米管[8](carbon nanotubes, CNTs)等为代表的真实可饱和吸收体；②以非线性偏振旋转[9](nonlinear polarization rotation, NPR)、非线性放大环形镜[10](nonlinear magnifying circular mirror, NALM)和非线性光纤环镜[11](nonlinear optical loop mirror, NOLM)为代表的人造可饱和吸收体。在真实可饱和吸收体材料中，石墨烯因其超快恢复时间、超宽工作波长以及低制作成本等诸多优点[12]，在众多锁模材料中脱颖而出。鉴于石墨烯材料的诸多优点，目前已开发的石墨烯锁模器件结构通常分为透射型和反射型2类，然而它们不但没有实现真正意义上的全光纤结构，而且还因损伤阈值低、插入损耗大、调制深度较低等诸多缺点使其在高功率锁模光纤激光方面应用受限。即便是真正意义上的全光纤D型结构锁模器件[13-14]，也会因为剖面不平整和结构的不对称性而引入较大的插入损耗和传输损耗。相比而言，基于覆石墨烯锥型微纳光纤(graphene-covered-microfiber, GCM)可饱和吸收体在制作工艺、成本管理和损耗控制等方面都极具优势。GCM可饱和吸收体主要利用石墨烯材料对微纳光纤锥腰部位倏逝场的非线性吸收来实现被动锁模，在改善传统锁模器件调制深度过低的同时，还可以实现激光器的全光纤结构。基于GCM可饱和吸收体的光纤激光器中产生锁模脉冲已有一些相关报道[15-17]。2013年，盛等[15]报道了一种基于GCM可饱和吸收体的掺铒光纤激光器，通过调节偏振控制器得到了调Q、调Q锁模和连续锁模3种不同工作状态的输出特性。文献[15]中报道的光纤激光器以掺铒光纤作为增益介质，然而到目前为止，基于掺铥增益光纤的覆石墨烯锁模激光器的相关报道还很少见。2016年，杨等[16]报道了一种基于GCM可饱和吸收体的可调谐掺铥光纤激光器，通过调节偏振控制器实现了波长在1880～1940 nm可调谐的锁模脉冲。2017年，王等[17]报道了一种基于GCM可饱和吸收体的掺铥光纤激光器，通过增加石墨烯和锥型光纤相互作用长度来提高石墨烯的调制深度，最终产生了稳定的孤子脉冲，其中，脉宽为0.98 ps，脉冲能量为544 pJ，信噪比为70 dB。文献[16-17]中虽然采用了掺铥光纤作为增益介质，并利用GCM作为锁模器件成功实现了稳定的锁模脉冲输出，但是并未观察到调Q锁模现象，而且对锁模脉冲出现的具体演化规律还缺乏深入研究。

基于上述问题，本文报道了一种利用GCM作为锁模器件的锁模TDFL。通过调节泵浦功率(1～2.52 W)，实验先后实现了连续激光、调Q锁模脉冲和连续锁模脉冲的输出，并对调Q锁模状态下脉冲宽度和重复频率随泵浦功率变化之间的关系进行了定量研究，对连续锁模状态下的输出特性进行了详细分析，所得研究结果对基于GCM被动锁模TDFL输出动力学特性研究具有一定的指导价值。

1 掺铥锁模光纤激光器结构

图1为基于GCM可饱和吸收体的锁模TDFL实验原理图。该装置以总腔长约为25 m的环形腔为基础，泵浦源采用中心波长在793 nm附近，最大功率为12 W的半导体激光器(LD, BW-LD793-12S)，通过(2+1)×1的合束器(Combiner)将抽运光耦合进激光腔内。随后，耦合进腔内的泵浦源被4.5 m长双包层TDF(IXF-2CF-Tm-O-10-130, IXFiber)增益光纤(在793 nm处对应的吸收率为5.6 dB/m)所吸收，通过一系列能级演化，最终释放出2 μm波段光源。其中，隔离器(ISO)的加入用来确保腔内光的单向传输，最终形成激光谐振。最终，激光由分光比为70：30光耦合器(OC)的30%端口输出，并通过外接的功率计(7Z01560, OPHIR)、1 GHz数字采样示波器(WaveRunner 610Zi, Lecroy)、光电探测器(ET-5000F, EOT)、分辨率为0.05 nm的光谱分析仪(AQ6375B, Yokogawa)和3 GHz带宽的频谱分析仪(FSL3, Rohde&Schwarz)完成对输出激光相关特性的检测。

2 GCM可饱和吸收体的原理与特性分析

在实验研究中，对于锥形微纳光纤的制作，采用目前较为成熟的“熔融拉锥技术”[18]，并在SCS-4000型拉锥机的帮助下制作完成，具体如图2，通过调节步进电机转速和氢气流量，可以得到不同锥腰直径的锥形光纤。最终，制备得到的锥形微纳光纤锥腰直径和过渡区长度分别为20 μm和1 cm。此外，在石墨烯薄膜的制备中，本文采用的是化学气象沉积法[19]，并利用湿法转移技术[20]将铜基底的石墨烯转移到了聚二甲基硅烷(polydimethylsiloxane， PDMS)薄膜上，从而得到尺寸为1 cm×0.5 cm，厚度为1 mm的石墨烯/PDMS薄膜。通过前期制备的锥形微纳光纤和石墨烯/PDMS薄膜，按照图3b的构建方式完成了图3a覆石墨烯锥型微纳光纤锁模器件。其中，低折射率MgF2作为GCM的基片主要用来减少倏势光的扩散。为检验该锁模器件的锁模性能，本文利用双臂探测法[21]对GCM进行了可饱和吸收体特性的研究。

图4为GCM可饱和吸收体非线性反射率随平均输入功率的变化曲线，从图4中可以看出，GCM的调制深度和非饱和吸收损耗分别约6.6%和73.4%。

3 测试结果与分析

在不加入石墨烯的情况下，不管如何增加泵浦功率都得不到锁模脉冲出现。将石墨烯/PDMS薄膜(1 cm×0.5 cm)覆盖在拉锥光纤的锥区获得GCM锁模器件，通过增加泵浦功率，依次出现连续运行、调Q锁模和连续锁模3种状态。图5为激光器平均输出功率随泵浦功率的变化曲线图。由图5可见，当泵浦功率从1 W逐渐增加到1.38 W时，激光器处于连续激光状态(continuous-wave, CW)；继续增加泵浦功率到2.09 W时，激光器演变为调Q锁模态(q-switched mode-locked, QML)；当泵浦功率在2.09～2.52 W变化时，稳定连续锁模(continuous mode-locked, CML)脉冲能够被获得。然后，继续增加泵浦功率超过2.52 W，示波器上观察到的稳定锁模脉冲将会立即消失，再次降低功率到2.52 W以下，之前稳定的锁模脉冲将再次恢复。此外，从图5中也可以观察到激光器的输出功率较低，这主要是因为双包层TDF纤芯(10 μm)和合束器输出光纤的纤芯(6 μm)存在模场失配所致。

3.1 连续运行及调Q锁模状态

图6为泵浦功率在1 W时激光器的输出光谱图。从图6中可以看出，输出激光中心波长为1 975.32 nm，光谱半高全宽(full width at half maximum，FWHM)为0.05 nm。泵浦功率在1～1.38 W变化时，激光器能稳定工作在连续输出状态。当泵浦功率从1.38 W增加到2.09 W时，光纤激光器出现调Q锁模脉冲输出。图7为不同泵浦功率下的调Q锁模脉冲输出时间序列，从图7中可以明显看出，随着泵浦功率的增加，调Q锁模脉冲包络宽度逐渐变小、强度增强。图8为脉冲包络的脉宽和重复频率随泵浦功率的变化关系图。从图8中可以发现，包络的重复频率随着泵浦功率的增加呈线性增长(47～83 kHz)，这是因为包络的重复频率主要取决于可饱和吸收体的饱和状态，随着泵浦功率的增加，提供更多的增益以使可饱和吸收体饱和。由于增益窄化的作用，脉宽随着泵浦功率增加呈线性减少(5.76～2.36 μs)，这与调Q的特性完全相符，并且脉冲包络时间宽度明显低于文献[22]中的8 μs。在图9中，通过对泵浦功率在1.42 W时的调Q锁模态进行分析，可以观察到一个调Q脉冲包络下包含大量的锁模脉冲。其中，图9a为调Q锁模脉冲的时间序列，图9b和图9c分别为对应调Q锁模脉冲的光谱和放大时间序列图；图9d为测得的频谱图。从图9中可以清晰地观察到锁模脉冲的频率峰值位于7.64 MHz，包络里包含多个频率分量，其频率间隔为80 kHz。

3.2 连续锁模状态

继续增加泵浦功率，当泵浦功率超过2.09 W时，调Q锁模状态会转变成连续锁模状态，实验结果如图10。从图10a中可以看出，锁模脉冲周期为130.89 ns，即锁模脉冲的重频为7.64 MHz。连续锁模脉冲的光谱如图10b，中心波长为1 986.63 nm，3 dB带宽为8.31 nm，低于文献[23]。图10c为锁模脉冲的频谱图，其基频位于7.64 MHz处，信噪比约为40 dB，高于文献[23]中的36 dB。由于在环形腔中用到的隔离器起到让光单向传输的作用，但是反向传播的ASE仍然可以通过隔离器与激光一同输出，因而降低了激光器的输出信噪比。 此外，我们还扫描了范围为500 MHz宽的频谱，结果如图10d，除了基频和谐波频率外没有其他频率分量，表明锁模光纤激光器具有较高的稳定性。从图10d中可以看出，低频时的RF(radio frequency)信号强度低于高频时的信号强度，文献[4]中也得到过类似的结果。

4 结 论

利用自制的GCM可饱和吸收体，实现了一种全光纤结构、输出灵活的TDFL。当泵浦功率从1 W增加到2.52 W时，TDFL可以工作在3种不同的工作状态，即连续状态(1～1.38 W)、调Q锁模状态(1.38～2.09 W)和连续锁模状态(2.09～2.52 W)。在调Q锁模状态下，调Q包络的重复频率随着泵浦功率的增加而增加(从47 kHz增加到83 kHz)，包络宽度随着泵浦功率的增加而逐渐减少(从5.76 μs减少到2.36 μs)。获得的调Q锁模脉冲的重复频率为7.64 MHz。在连续锁模状态中，获得锁模脉冲的中心波长、3 dB带宽和信噪比分别为1 986.63 nm、 8.31 nm和40 dB。所得结果与以往文献相比，获得了更为全面的演化过程，对基于GCM被动锁模TDFL输出动力学特性的研究具有一定指导价值。此外，对于增益光纤和合束器的模场匹配不理想的问题，在今后的工作中，将通过选择合适的模场适配器来加以改善。