基于铋可饱和吸收体的超快激光产生*

袁浩 朱方祥 王金涛 杨蓉 王楠† 于洋 闫培光 郭金川

1) (深圳大学物理与光电工程学院, 深圳 518060)

2) (深圳大学机电与控制工程学院, 深圳 518060)

3) (国防科技大学文理学院, 长沙 410073)

采用磁控溅射沉积法在微纳光纤表面上镀一层纳米级厚度的铋薄膜, 制备了一种微纳光纤-铋膜结构的可饱和吸收体.在1.5 µm处的非线性光调制深度为14%.将其应用到掺铒光纤激光器中, 在1.5 µm波段获得稳定的超快脉冲激光产生, 脉宽为 357 fs, 输出功率为 45.4 mW, 单脉冲能量为 2.39 nJ, 信噪比为 84 dB.实验结果表明, 利用磁控溅射法可制备出大调制深度的可饱和吸收体, 为获得高能量超短脉冲激光输出提供新方案.

1 引 言

超快光纤激光器在激光医学、吸收光谱、激光大气通信、遥感和高分子材料加工等方面具有广阔的应用前景[1].可饱和吸收体(SA)作为谐振腔内脉冲的启动器和整形器, 可从腔内噪声序列中选择出能量最高的脉冲, 是实现被动锁模运转的关键光学元件.目前唯一商用的SA是半导体饱和吸收镜(SESAM)[2,3], 然而, 受半导体带隙宽度和反射镜衬底的限制, SESAM的工作带宽通常只有几十纳米,且SESAM的制备复杂, 价格昂贵.近年来一些低维材料, 如石墨烯[4−6]、拓扑绝缘体[7,8]、过渡金属二硫化物[9−12]、黑磷[13−15]等, 被制作成 SA 并应用于超快脉冲产生, 推动了新型SA的研制.其中, 石墨烯和拓扑绝缘体虽然具有超快的载流子响应, 但其Dirac点附近较低的电子态密度限制了其非线性吸收特性(调制深度低)[16−18]; 过渡金属二硫化物具有较大的带隙, 其光学响应波段主要位于可见光区域; 尽管不同层数黑磷的带隙在0.3—2.0 eV可调[15], 可实现从可见光到中红外波段的光学响应, 但黑磷的化学稳定性差.近年来, 科研工作者致力于研制新型的高性能SA, 以弥补现有SA存在的缺点.其中, 铋烯因其独特的性质引起了人们极大的兴趣.根据第一性原理理论计算, 铋烯具有高载流子迁移率[19]、优异的热导率[20]、良好的自旋电子性质和应变诱导带跃迁[20−22]等卓越的光电特性.另外, 块体铋属于半金属, 当层数减小到22层以下时将表现出拓扑绝缘体性质, 当层数小于8层时将表现出量子自旋霍尔相位, 最终在单层情况下表现出半导体性质, 其带隙为0.74 eV并拥有高载流子迁移率[19,20,23].已有报道采用机械剥离法[24]和外延生长法[25]制备铋烯, 通常将铋烯和聚合物做成薄膜来作为SA, 由于聚合物容易被激光损伤,这种薄膜类SA不利于高能量超短脉冲产生[24].机械剥离法存在厚度不可控以及不均匀等问题, 随机性大, 不利于SA的精准制备, 直接影响SA的表现性能.与常见的机械剥离法与外延生长法相比,磁控溅射沉积(MSD)法可在目标衬底上批次性、可重复、可控地制备薄膜, 是一种精准制备SA的有效方法[12,26].

本文采用MSD方法在微纳光纤表面沉积纳米级厚度铋膜制备铋SA.将其应用到掺铒光纤激光器中, 获得稳定的锁模脉冲输出.脉冲中心波长为 1563 nm, 输出功率为 45.4 mW, 脉冲宽度为357 fs, 重复频率为 19 MHz.实验表明, 微纳光纤-铋结构可以作为一种有效的倏逝波耦合型SA器件.

2 微纳光纤-铋SA的制备与表征

在光纤拉锥机上对单模光纤(SMF-28e)进行熔融拉锥处理, 制备出锥区束腰直径约为13 µm的微纳光纤.将铋靶材、石英片和微纳光纤置于磁控溅射仪的真空室中, 将真空度降至 9 × 10–4Pa,再将氩气注入到腔内.由于铋为单质半金属材料,使用直流驱动的方式镀膜, 参数为: 氩气流量为15 sccm (1 sccm = 1 mL/min), 电流为 0.2 A, 持续时间为2 min, 通过控制时间来控制薄膜厚度.

图1(a)是在扫描电子显微镜下观察到的微纳光纤-铋 SA 的锥区位置, 锥区直径为 13 µm, 插图为镀在锥区表面铋薄膜的表面形态, 可见薄膜十分致密地覆盖在微纳光纤的表面上.图1(b)为镀膜光纤端面, 图1(c)是图1(b)中红色框内的放大结果, 可以看出铋薄膜在光纤表面沉积的厚度约为39.7 nm.由 514 nm 激光激发的 50—500 cm–1范围内铋的拉曼光谱如图1(d)所示, 铋薄膜在约72 cm–1处显示出面内 Eg模的显著峰, 在约 97 cm–1处显示出面外A1g模的相对弱峰, 此结果与先前的工作[27]中报道的值一致, 证实了我们所制备的铋薄膜的高质量.为了进一步评价铋薄膜的质量, 对所制备的铋薄膜进行了X射线衍射(XRD)分析,图1(e)是石英片上铋膜的XRD图谱, 将其与铋的XRD标准PDF卡片(PDF#97-005-3796)比对,表明铋膜的XRD图谱中仅有纯铋元素的峰, 进一步证实通过磁控溅射法制备了高质量薄膜.图1(f)为石英片上铋膜在1400—1800 nm之间的线性透过率, 在1563 nm处的平均透过率为22.2%.

图1 铋薄膜表征结果 (a)覆盖铋薄膜拉锥光纤的锥区扫描电子显微镜图像, 插图为铋薄膜的表面形貌; (b)镀铋膜的光纤端面; (c)铋薄膜沉积在光纤上的厚度; (d)铋薄膜的拉曼光谱; (e)铋薄膜的XRD图; (f)铋薄膜的线性透过率Fig.1.Bi film characterization results: (a) Scanning electron microscope images for the taper region of the microfiber coated with the bismuth film (the inset shows the surface morphology of the bismuth film); (b) optical fiber end face with bismuth coating;(c) thickness of bismuth thin film deposited on optical fiber; (d) Raman spectrum of bismuth film; (e) XRD diagram of the bismuth film; (f) linear transmittance of bismuth thin film.

图2 微纳光纤-铋SA的非线性表征 (a)没有和(b)具有650 nm引导光时样品腰部区域的光学显微镜图像; (c) SA的饱和吸收特性Fig.2.Nonlinear characterization of micro-nano fiber-bismuth SA: Optical microscope images of the waist region of the sample(a) without and (b) with the guiding 650 nm light; (c) saturable absorption property of SA.

图3 (a)不同激发功率下的标准开孔Z扫描曲线; (b)标准化的闭孔/开孔Z扫描曲线Fig.3.(a) Normalized open-aperture Z-scan traces with different excitation powers; (b) normalized close-aperture/ open-aperture Z-scan trace.

为了确认光与覆盖在锥区表面铋膜的渐逝波相互作用, 将波长为650 nm的红光导入镀膜锥区,图2(a)所示为未通光前的光学图像, 图2(b)显示了通光后的锥区图像, 通过泄漏的红光可以明显地看出光与物质的相互作用.采用自制的锁模光纤激光器, 在中心波长为 1550 nm、脉冲宽度为 270 fs、基频为40.5 MHz的条件下, 测量了基于铋SA的非线性光学吸收特性.非线性饱和吸收曲线如图2(c)所示, 测得调制深度(as)、非线性饱和损耗(ans)和饱和强度 (Isat)分别约为 14%, 79%和0.9 MW/cm2.

此外, 利用开孔Z扫描技术在1500 nm波长处测试了铋膜在 10, 30, 50, 70 mW 激发功率下的可饱和吸收特性, 结果如图3(a)所示, 可以看出微纳光纤-铋膜结构的SA在1500 nm处呈现出明显的饱和吸收特性.图3(b)所示的标准化的闭孔/开孔Z扫描曲线, 展现出典型的先峰后谷特性, 表明铋膜的非线性折射率为负, 具有自散焦特性.根据数值分析可得铋膜的非线性吸收系数b与非线性折射率 n2分别为 2.38 × 10–4cm/W 和–1.47 ×10–9cm2/W.

3 实验装置

实验装置如图4所示, 在掺铒光纤激光器中,增益介质为120 cm的掺铒(OFS/EDF-80)光纤,采用980 nm半导体激光器作为抽运源.使用波长为980/1550 nm的波分复用(WDM)耦合器将抽运光耦合到腔内.采用偏振不敏感隔离器(PIISO)以保证激光在腔内的单向传输, 中心波长为1550 nm.加入偏振控制器(PC)调节激光腔内光束的偏振特性状态.采用10∶90光耦合器(OC)将10%的光输出, 用以测试激光输出特性, 谐振腔内的光纤器件都是偏振不敏感的.激光腔长度为11.2 m.单模光纤的参数约为–23.9 ps2/km, 掺铒光纤的净腔色散值约为40 ps2/km[9], 计算得到腔内净色散约为–0.191 ps2.为分析输出激光特性, 使用了数字示波器 (Rohde&Schwarzr RTO2024)、射频频谱分析仪(Rohde&Schwarzr FSV13)、光电探测器(EOT ET-3500F)、光学频谱分析仪(Yokogawa AQ6370)、自相关仪 (APE Pulsecheck).

图4 实验装置图Fig.4.Experimental device diagram.

4 实验结果

图5 1.5 µm 锁模特性 (a)锁模光谱; (b)基频为 19.0 MHz、分辨率为 10 Hz 的射频频谱, 插图显示了 2 GHz 跨度的射频频谱;(c)具有sech2拟合的脉冲持续时间为357 fs输出脉冲的自相关轨迹, 插图是输出脉冲的时间序列图; (d)输出功率/脉冲能量随着输入功率的变化Fig.5.Mode-locking characteristics at 1.5 µm: (a) Mode-locking optical spectrum; (b) RF spectrum at a fundamental frequency of 19.0 MHz with 10 Hz resolution; the inset shows the RF spectrum of 100 MHz span; (c) autocorrelation trace for an output pulse with a pulse duration of 357 fs with sech2 fit; the inset is the oscilloscope trace of the output pulse train; (d) relationship between the input power and laser output power/pulse energy.

在激光腔中, 没有加入SA前, 无论怎么调节抽运功率和偏振控制器, 都无法产生脉冲序列.然后在WDM和PC之间, 将制备的SA集成到光纤激光器中.当抽运功率增加到30 mW时, 振荡器开始工作在锁模状态.图5(a)显示了以1563 nm为中心的典型锁模光谱, 其 3 dB光谱带宽为6 nm.谱线上Kelly边带的存在证实了锁模激光器运行在孤子区域内.图5(b)为RF频谱, 基频为19.0 MHz, 信噪比为 84 dB, 与腔长 11.2 m 相匹配.图5(b)中的插图是在2 GHz大范围下的射频(RF)频谱, 连续平坦的频谱图表明锁模脉冲具有高的稳定性.图5(c)为自相关测量得到的脉冲轨迹, 结果很好地符合 sech2函数曲线, 脉宽为 357 fs.时间-带宽乘积为0.323, 表明输出脉冲含有轻微的啁啾.图5(c)内插图为出脉冲的时间序列图, 可知激光器具有很好的稳定性.图5(d)给出了输出功率/脉冲能量随着输入功率的变化, 当输入功率为280 mW 时, 输出功率为 45.4 mW, 相应的单脉冲能量为2.39 nJ.此时输出功率仍然保持很好的线性增长关系, 斜率效率为17%.相信通过增加抽运功率与优化谐振腔结构, 可以得到更高的输出功率与脉冲能量.

表1中比较了铋作为SA锁模的几种超快激光器的实验结果[28−33], 其中 lc为中心波长, SNR为信噪比, Ppump为抽运功率, Pave为平均输出功率, E 为脉冲能量, t 为脉冲持续时间, as为调制深度.在本文实验方案中, 基于微纳光纤-铋的SA可以有效避免激光直接透过SA材料, 防止材料与激光脉冲能量的直接相互作用.因此, 这种类型的SA具有较高的损伤阈值.基于液相剥离(LPE)法制备的微纳光纤-铋SA的平均输出功率和脉冲能量都相对较小, 而使用MSD法可以有效地提升输出功率和脉冲能量.另外, 更高的信噪比说明输出脉冲有更高的稳定性.此外, 二维材料可以通过MSD方法直接沉积在微纳光纤的整个区域上, 充分确保了调制效果, 这也很好地说明了表1中MSD法制备SA调制深度更高.因此, 与通过其他方法制备的SA相比, 利用磁控溅射法制备的集成式微纳光纤-铋SA具有相对较大的调制深度, 可产生高能量锁模脉冲.

表1 基于铋 SA 不同锁模激光器的比较Table 1.Comparison of different mode-locked lasers based on Bi saturable absorbers.

5 结 论

利用MSD技术制备了一种微纳光纤-铋SA器件, 将其应用到掺铒光纤激光器中, 获得高稳定性的被动锁模脉冲, 其中心波长为1563 nm,3 dB 带宽为 6 nm, 脉冲宽度 357 fs, 重复频率为19 MHz, 信噪比为 84 dB.实现了大能量锁模激光输出, 最高单脉冲能量高达 2.39 nJ.本文提出了一种利用磁控溅射法制备SA的新方案, 将二维材料直接沉积在微纳光纤表面上并覆盖整个锥区, 充分实现对光的调制; 采用倏逝波-材料相互作用方式,避免了材料被高能量脉冲的损伤, 大幅提高SA的损伤阈值, 有利于获得高能量超短脉冲产生.