二硫化钼掺镱光纤激光器连续和调Q实验研究

张凤娟,黄 敏

(1.无锡科技职业学院物联网技术学院,江苏 无锡 214028;2.江南大学轻工业过程先进控制教育部重点实验室,江苏 无锡 214122)

1 引 言

由于调Q光纤激光器具有高效率、宽波段、高功率、性价比高、结构紧凑等特点,其在通信、医疗、工业、军事等领域发挥越来越重要的作用[1-3]。为了获得更高频率、更窄脉冲的调Q激光脉冲输出,人们正在不断寻找更多优秀的可饱和吸收材料。据报道,具有零带隙和良好可饱和吸收性质的石墨烯作为可饱和吸收体得到了充分发展[4-6]。随之,越来越多的二维“类石墨烯”材料作为优异的可饱和吸收体应用在脉冲激光器中,如MoS2、WS2、TiS2等等[7-10]。

近几年,MoS2在众多的二维“类石墨烯”材料中脱颖而出[11-12],与传统的调Q、锁模可饱和吸收体相比,它不但拥有独特的“三明治”结构,而且具有宽带隙、结构可调控、工作波段宽、非线性系数高、吸附力强,吸收系数优良等优点。2014年,B.Xu等人[13]首次利用MoS2作为SA应用到掺铒调Q激光器中,得到调谐范围为1519.6～1567.7 nm的调Q脉冲。此后,许多基于二硫化钼的调Q激光器相继被报道[14-15],但是利用二硫化钼可饱和吸收体得到脉宽为几十纳秒的报道并不多。本文以环形腔为基础,实现了基于MoS2-SA的掺镱光纤激光器连续和调Q运转,在560 mW 泵浦功率时,得到中心波长1063 nm、输出功率2.18 mW,重复频率为61.7 kHz,脉冲宽度为45 ns,单脉冲能量为38 nJ的激光输出。脉冲宽度、平均输出功率、重复频率与泵浦功率近似呈线性关系。

2 MoS2可饱和吸收体的制备及测试

目前制备MoS2可饱和吸收体的方法主要有:机械剥离法、化学气相沉积法(CVD)、分子束外延生长法(MBE)、液相分离法(LPD)等[16]。考虑到液相分离法不仅具有简单快捷的特点而且制备成本低,所以本实验采用液相分离法制备MoS2溶液。纯度为99 %的二硫化钼粉末和N-甲基-2吡咯烷酮(NMP)分散剂均由Alfa Aesar公司提供。具体制作过程为:首先将50 mg二硫化钼粉末加入10 mL分散剂溶液使其分散均匀；接着将MoS2分散液放入一台超声波清洗机中超声10 h,超声功率为450 mW；然后将混合液放入离心机中离心30 min,离心机转速为5000 rpm,取上层清液重置离心机中再次离心30 min,重复此操作直到二硫化钼粉末完全溶解；最后取离心后溶液超声10 min,获得薄层状二硫化钼分散液均匀涂覆在石英片上进行干燥操作,即完成二硫化钼可饱和吸收体的制作。用拉曼光谱对二硫化钼可饱和吸收体进行表征,结果如图1所示。由图1可以看出二硫化钼可饱和吸收有二个特征拉曼峰,二峰之间的波数差为22.5 cm-1,由此可推测二硫化钼薄膜为少层结构。

图1 二硫化钼可饱和吸收体的拉曼光谱

采用1064 nm连续激光测量二硫化钼可饱和吸收体的可饱和吸收特性如图2所示,可以看出,在入射光功率较小时,MoS2-SA的吸收率随着入射光功率的增加而减小,当光功率增加到300 mW时,吸收率趋于稳定,说明入射的激光功率较小时,吸收较大,随着入射功率的增大,吸收下降,最后趋于稳定。测试表明,样品的可饱和吸收性能良好。

图2 样品的吸收率与入射激光功率的关系

3 实验装置

图3为光纤激光器连续运转和MoS2-SA被动调Q运转光纤激光器装置图。一段长度为3 m的高掺杂单模双包层掺镱光纤EDF(10 pF/km/nm)和一段长度为15 m的单模光纤(18 pF/km/nm)组成环形腔。其中,掺镱光纤直径为9 μm,内包层直径为125 μm,数值孔径为0.46,在980 nm波段的吸收系数约7.5 dB/m。光纤激光器的泵浦源为JDSU 980 nm半导体激光器,尾纤最大输出光功率为1.5 W。泵浦光通过980 nm/1064 nm波分复用器DWM耦合进入环形腔。装置中所用光纤偏振控制器PC可以调节腔内双折射,偏振相关隔离器PI-ISO可保证腔内信号光单方向运转。PC和PI-ISO一起用于调Q、锁模脉冲的优化。激光脉冲则是从耦合器OC的25 %一端输出,75 %一端反馈回激光腔内。

输出脉冲序列通过InGaAs光电探测器(DET10D Operation Manual-long Wavelength InGaAs Detector,Thorlabs)进行测量,1 GHz数字示波器用来观察调Q脉冲波形。

图3 二硫化钼被动调Q掺镱光纤激光器装置图

4 实验结果与分析

4.1 激光器的连续运转

实验中,在不加入MoS2-SA的情况下,观察不同长度的掺镱光纤对激光器输出功率的影响,本实验选取三种长度的掺镱光纤做比较,分别为1 m、3 m、7 m。图4是连续激光输出功率分别在三种长度的光纤下,随泵浦功率变化的关系。从图4可以看出,虽然对三种掺镱光纤来说,连续光输出功率均随泵浦功率的增加而增加,但是三者之间又存在很大区别。在整个泵浦功率范围内,1 m掺镱光纤的输出功率始终是最小的；3 m掺镱光纤与7 m掺镱光纤相比较,在泵浦功率小于1.1 W时,长度为7 m的掺镱光纤的输出功率小于长度为3 m的掺镱光纤；当泵浦功率升高到1.1 W之后,7 m掺镱光纤输出功率反而高于3 m掺镱光纤。由此可以定性说明,增益光纤的长度对输出功率影响较大,在一定的泵浦功率下,存在着最佳光纤长度:泵浦功率较低,最佳光纤长度较短,泵浦功率较高,最佳光纤长度较长。由于本实验所用泵浦源最大输出功率为1.5 W,故3m掺镱光纤是最佳选择。由图4还可以看出,当泵浦功率为1.35 W时,3 m增益光纤输出连续激光功率为270 mW,此时,光光转换效率为20 %,斜率效率为21.5 %。

图4 不同增益光纤长度下连续光输出功率与泵浦功率的关系

图5是用光束分析仪测出的激光光束分布图,可以看出,输出激光光斑为圆形结构,对称性较好,在水平和垂直两个方向上的光强分布都是标准高斯分布,是TEM00模式。利用分辨率为0.02 nm的光谱分析仪测得激光光谱图如图6所以,可以看出输出连续光的中心波长为1063.1 nm,3 dB带宽为0.74 nm。

4.2 激光器的调Q和锁模运转

实验中,把MoS2-SA置于光纤准直器S1与S2之间。经过反复实验比较,选取掺镱双包层光纤长度为3 m。实验刚开始,泵浦功率较小,示波器上没有调Q脉冲出现,只有连续光输出。增大泵浦功率的同时仔细调节偏振控制器PC,当泵浦功率增加到185 mW时,示波器上开始出现调Q脉冲,此时脉冲的稳定性较差,如图7所示。由图7看出在调Q初始阶段脉冲宽度较宽,为300 ns；单脉冲之间间隔为56.3 μs,即重复频率为17.6 kHz；此时平均输出功率较小,约为0.15 mW。增加泵浦功率,同时保持PC状态不变,发现脉冲串输出快速趋于稳定。当泵浦功率为560 mW时,激光器输出脉冲如图8所示。此时调Q脉冲宽度最窄可达到45 ns,脉冲间隔为16.2 μs,重复频率为61.7 kHz,平均输出功率为2.18 mW。从脉冲序列可以看出,此时的调Q 脉冲没有出现高低不平的现象,MoS2可饱和吸收体对光路的调制非常稳定。

图5 激光光束分布图

图6 连续激光的光谱图

图7 泵浦功率185mW时调Q单脉冲波形及调Q脉冲序列波形

图8 泵浦功率560 mW时调Q单脉冲波形图及调Q脉冲序列波形图

图9是调Q重复频率及脉冲宽度随泵浦功率的变化关系,图10是激光器的调Q输出功率和单脉冲能量与泵浦功率的关系,单脉冲能量是根据激光平均输出功率以及脉冲宽和重复频率三者计算得到的。从图8、图9、图10可以看出:在泵浦功率从185 mW增加到560 mW的过程中,输出功率及脉冲重复频率近似线性比例的增加,输出功率从最小0.15 mW增加到最大2.18 mW,脉冲重复频率从17.6 kHz增加到61.7 kHz。而且,调Q脉冲宽度随着泵浦功率增大逐渐减小,从300 ns减小到最小45 ns,这种现象是调Q激光器的一个重要特征。单脉冲能量随泵浦功率的增加有趋近饱和的趋势,当泵浦功率为540 mW时,单脉冲能量最大为38 nJ。这可能是MoS2可饱和吸收体出现了过饱和现象,泵浦功率不能再大幅增加。

图9 重复频率及脉冲宽度与泵浦功率的关系

图10 平均输出功率和单脉冲能量与泵浦功率的关系

对以上现象可以做如下解释:随着泵浦功率的升高,泵浦速率增大,反转粒子数密度提高,峰值光子数增加,导致MoS2-SA在短时间内达到饱和,从而释放出较窄脉冲。同时,据调Q脉冲重复频率f的相关分析[17]可知,可饱和吸收体的饱和状态决定调Q脉冲的产生,随着泵浦功率增加,可饱和吸收体的增益增加,脉冲所需要形成时间缩短,单位时间内输出的脉冲数增加,即脉冲重复频率增加。同时将脉冲宽度、脉冲重复频率与相关计算方法相结合也可解释为何平均输出功率、单脉冲脉冲能量随泵浦功率的增加呈线性变化。

当泵浦功率达到560 mW时,继续增加泵浦功率,调Q脉冲随之消失,这时仔细地、反复调节偏振控制器PC,并慢慢地增加泵浦功率,示波器上出现不稳定的调Q锁模序列,如图11所示。由于担心泵浦功率过大,会导致MoS2可饱和吸收体损伤,泵浦功率没有再继续增加,故尚未出现稳定的、调制深度较高的锁模脉冲。经分析,可饱和吸收体的厚度,以及腔结构都是导致锁模深度不高的原因,后期的实验中将对饱和吸收体的制作方法和激光腔结构加以改进以期得到调制深度为100 %的锁模脉冲。

图11 不稳定的调Q锁模脉冲

5 结 论

本文研究了980 nm LD端面泵浦掺镱光纤激光器的连续和调Q的运转。实验中在3 m最佳增益光纤长度下,得到中心波长1063 nm、输出功率270 mW、斜率效率为21.5 %的连续激光输出。采用自制的二硫化钼作为可饱和吸收体,当泵浦功率在185～560 mW变化的过程中,得到了稳定的调Q脉冲输出,脉冲输出功率从最小0.15 mW增加到最大2.18 mW,脉冲重复频率从17.6 kHz增加到61.7 kHz。而且,调Q脉冲宽度随着泵浦功率增大逐渐减小,从300 ns减小到最小45 ns,单脉冲能量随泵浦功率的增加有趋近饱和的趋势,当泵浦功率为540 mW时,单脉冲能量最大为38 nJ。脉冲宽度、重复频率、平均输出功率与泵浦功率近似呈线性关系。在实验中还发现,继续增加泵浦功率,调Q状态消失,不稳定的调Q锁模序列进而出现,今后计划改善实验条件,以期出现稳定的、调制深度接近100 %的锁模脉冲。实验表明:二硫化钼是一种优异的可饱和吸收体,不久的将来有望代替石墨烯、SESAM、SWNT等材料成为一种新型的激光锁模、调Q 器件。