基于纯水可饱和吸收体的1.9 µm 波段被动调Q 和锁模掺铥光纤激光器*

戴川生 董志鹏 林加强 姚培军† 许立新 顾春

1) (中国科学技术大学物理学院,核探测与核电子学国家重点实验室,安徽省光电子科学与技术重点实验室,先进激光技术安徽省实验室,合肥 230026)

2) (厦门大学电子工程系,厦门 361005)

构建了纯水作为可饱和吸收体的被动调Q 和锁模掺铥光纤激光器.通过陶瓷套管将纯水固定在两个光纤跳线头之间,调整水层厚度可以分别实现调Q 和锁模操作.调Q 状态下的最大输出功率为0.531 mW,此时的重复频率为53.45 kHz,脉冲宽度为3.01 µs.锁模状态下的最大输出功率为2.28 mW,重复频率为17.69 MHz,脉冲宽度为1.42 ps.本文使用纯水作为可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器,其具有皮秒级的响应时间、低廉的价格和极高的损伤阈值,可为掺铥全光纤脉冲激光器提供一种新方案.

1 引言

超短脉冲光纤激光器具有稳定性好、结构紧凑、单脉冲能量高等优点,近年来工作在1.8—2.1 µm光谱范围内的超短脉冲激光受到了广泛的关注,其在激光光谱学、生物医学、光通信和传感等领域具有广泛应用[1-7].产生脉冲的方法主要有两种: 主动调制和被动调制.主动调制需要通过外部调制器(声光/电光调制器)来实现,但这不仅增加了成本,还降低了系统的便携性;被动调制只需要在腔内加入一个振幅自调制器件,不需要任何外部器件.目前报道的被动调Q和锁模光纤激光器主要是基于非线性偏振演化(nonlinear polarization evolution,NPE)[8-10]以及可饱和吸收体(saturable absorber,SA)实现.然而,基于NPE 技术的调Q和锁模激光器对腔内偏振变化敏感,难以应用于成熟的激光产品.利用SA 进行被动调Q和锁模操作被认为是获得脉冲激光的一种方便和低成本的方法.一个好的SA 应该具有较大的调制深度、较高的损伤阈值、超快的恢复时间和宽带可饱和吸收性.

适用于1.9 µm 光谱区域被动调Q和锁模激光器的SA 有多种类型,如半导体饱和吸收镜(semiconductor saturable absorber mirror,SESAM)[11]、石墨烯[12]、碳纳米管[13,14]、黑磷[15]、过渡金属硫化物[16]等.虽然SESAM 的制作工艺已经成熟,但是其狭窄的工作带宽和昂贵的成本限制了自身的应用.而石墨烯、碳纳米管、黑磷、过渡金属硫化物等二维材料具有损伤阈值较低的缺点.最近,有相关研究报道将纯水作为SA 具有损伤阈值高、价格低廉、散热性能好、稳定性高的优点.2019 年,Xian 等[17]利用纯水SA 实现了被动调Q掺铒光纤激光器.据我们所知,目前还没有利用纯水SA 实现被动锁模操作的报道,实际上水分子对于1.80—1.95 µm波段的光具有很强的吸收能力[18,19],所以本文尝试在这个波段内利用纯水SA 实现锁模操作.

本文实现了一种基于纯水SA 的掺铥全光纤脉冲激光器.通过陶瓷套管将纯水固定在两个螺纹型/物理接触(ferrule contactor/physical contact,FC/PC)光纤跳线头之间,调整水层厚度可以分别实现调Q和锁模操作.利用纯水作为SA 的材料极大地降低了激光器成本,且由于水分子的结构非常稳定,所以纯水SA 的稳定性和损伤阈值较高.本文为掺铥全光纤脉冲激光器提供了一种新方案.

2 实验原理与结构

每个水分子具有两个氢氧键,其能量吸收过程与氢氧键的伸缩振动和弯曲振动有关.近红外光谱中有5 个显著的水的吸收波段,分别出现在0.76,0.97,1.19,1.45 和1.94 µm[18].1.45 µm 附近的吸收带与氢氧键的伸缩振动有关,1.94 µm 附近的吸收带与氢氧键的弯曲振动有关[17,20,21].2.0 µm 附近水的吸收光谱如图1 所示.水的频率相关振动能量弛豫时间为1ps[20,21],远短于增益介质的上能级寿命,因此纯水可以作为快速SA 来实现锁模操作.

图1 纯水的吸收光谱Fig.1.Absorption spectrum of pure water.

实验结构如图2 所示,该环形腔包含1.5 m 长的掺铥光纤,其型号为Nufern SM-TSF-9/125,由1550 nm 连续光激光器通过1550/2000 nm 波分复用器进行泵浦.采用偏振无关隔离器保证激光器的单向工作.通过插入偏振控制器来调节激光在腔内的偏振状态,以获得最佳工作状态.将纯水SA 通过陶瓷套管固定在两个FC/PC 光纤跳线头之间,实验中用到的陶瓷套管取自FC/PC 光纤连接器,纯水为纯度99.99%的去离子水.首先取出一盆纯水,将陶瓷套管完全浸没在纯水中并去除套管内的空气.然后将一对光纤跳线头用纯水擦拭后分别插入陶瓷套管的两端,跳线头之间的间隙充满纯水,该步骤全程在纯水中操作,以防止间隙中出现气泡.轻轻推动跳线头便可以改变间隙的大小从而调节水层的厚度,因此很容易获得不同调制深度的SA,这是液体SA 的独特优势.用90∶10 的光耦合器从激光腔中耦合出10%的腔内能量作为输出.环形腔的总长度约为11.31 m,腔内无源光纤的型号均为Nufern SM-1950,环形腔总色散处于负色散区域.利用光谱分析仪(ANDO AQ6317B)和2 GHz射频频谱分析仪(AV4021)分别测量激光器的光谱和射频频谱特性,时域特性则由4 GHz 示波器(Teledyne LeCroy WaveRunner 640Zi)和自相关仪(APE PulseCheck SM250)记录.

图2 纯水SA 掺铥光纤激光器的实验结构 TDF,掺铥光 纤;WDM,波分复用器;PI-ISO,偏振无 关隔离 器;PC,偏振控制器;OC,光耦合器;SA,可饱和吸收体Fig.2.Experimental setup of pure water-SA Tm-doped fiber laser: TDF,Tm-doped fiber;WDM,wavelength division multiplexer;PI-ISO,polarization independent isolator;PC,polarization controller;OC,optical coupler;SA,saturable absorber.

3 实验结果与讨论

当泵浦功率提高到152 mW 时,通过改变水层厚度和调节PC 可以获得被动调Q脉冲输出,图3(a)—(c)分别是泵浦功率为152,238,311 mW时的调Q脉冲序列,显微镜下测量得到此时的水层厚度大约为0.2 mm.当泵浦功率增加时,脉冲的重复频率变高,这是调Q脉冲的典型特征.图4给出了泵浦功率为152 mW 时的调Q光谱,其中心波长为1870.04 nm,3 dB 光谱带宽为6.57 nm.光谱上大量的凹陷源于水的强烈吸收[22].脉冲输出功率和单脉冲能量随泵浦功率的变化如图5(a)所示,脉冲宽度和重复频率随泵浦功率的变化如图5(b)所示.当泵浦功率从152 mW 增加到311 mW时,输出功率从0.135 mW 增加到0.531 mW,单脉冲能量从6.33 nJ 增加到9.94 nJ,脉冲宽度从6.92 µs 减小到3.01 µs,重复频率从21.31 kHz 增加到53.45 kHz.与锁模操作不同,调Q脉冲的重复频率取决于泵浦功率而不是腔长.当泵浦功率增大时,为SA 提供了更高的增益,SA 的饱和速度更快,这导致了重复频率的增加.

图3 泵浦功 率不同 时的调Q 脉冲序 列 (a) 152 mW;(b) 238 mW;(c) 311 mWFig.3.Q-switched pulse trains under different pump powers:(a) 152 mW;(b) 238 mW;(c) 311 mW.

图4 泵浦功率为152 mW 时的调Q 光谱Fig.4.Q-switched optical spectrum under pump power of 152 mW.

图5 (a) 输出功率和单脉冲能量随泵浦功率的变化;(b) 脉冲宽度和重复频率随泵浦功率的变化Fig.5.(a) Output power and single-pulse energy as a function of pump power;(b) pulse width and repetition rate as a function of pump power.

当泵浦功率为311 mW,水层厚度约为0.1 mm时,仔细调节PC 可以得到稳定的锁模脉冲输出,此时的输出功率为2.28 mW,已经达到泵浦激光器最大功率,无法继续提升泵浦功率.示波器测得的脉冲序列如图6(a)所示,脉冲间隔为56.53 ns,与激光器的腔长相吻合.图6(b)展示了脉冲的自相关轨迹,测得脉冲宽度为1.42 ps.如图6(c)所示,此时测得输出激光的中心波长为1884.68 nm,3 dB 光谱宽度为4.27 nm,计算得到时间带宽积为0.512,略大于傅里叶变换极限双曲正割脉冲的理论值0.315,说明脉冲存在啁啾.此外可以看到光谱有很明显的Kelly 边带,说明激光器输出为典型的孤子脉冲.锁模光谱上大量的凹陷和调Q光谱类似,也是源于水的强烈吸收[22].由图1 的纯水吸收谱可知,在1850—1940 nm 波长内,纯水SA对不同波长的损耗不同,存在滤波效果.当激光器处于锁模状态时,水层的厚度比调Q状态下小,此时纯水SA 整体插损降低,滤波效果下降,因此谐振中心波长发生变化.此外,锁模状态下脉冲的峰值功率更高,非线性效应会产生更多的频率成分,这也会对激光器的输出中心波长产生影响.图6(d)为输出激光的射频频谱,重复频率为17.69 MHz,68 dB 的信噪比说明锁模状态非常稳定.此外,我们测量了锁模脉冲的长时间稳定性,如图7 所示.在两个小时内,输出锁模脉冲序列几乎保持不变,锁模状态表现出较高的稳定性.

图6 (a) 示波器测得的锁模脉冲序列;(b) 输出锁模脉冲的自相关轨迹;(c) 锁模状态的输出光谱;(d) 锁模状态的输出射频频谱Fig.6.(a) Mode-locked pulse train measured by oscilloscope;(b) autocorrelation trace of the output mode-locked pulse;(c) output optical spectrum of the mode-locked state;(d) output radio frequency spectrum of the mode-locked state.

图7 锁模脉冲的长时间稳定性Fig.7.The long-time stability of mode-locked pulses.

为了表征纯水SA 的非线性响应,我们用1.9 µm波段锁模光纤激光器作为探测光源进行测量,探测光脉冲宽度为2.9 ps,重复频率为33.07 MHz.10%的输出功率用于监测输入功率,而90%的剩余激光则进入纯水SA.通过改变入射功率得到了纯水SA 透过率的变化如图8 所示典型的饱和吸收曲线,可以用饱和模型方程来描述:

图8 纯水SA 在1.9 µm 波长下的非线性响应Fig.8.Nonlinear response of the pure water SA at 1.9 µm wavelength.

其中T(I) 为 透过率,ΔT为调制深度,I为输入脉冲峰值强度,Isat为饱和强度,Tns为非饱和损耗.通过计算得到,纯水SA 的调制深度约为4.8%,非饱和损耗约为45.6%,饱和强度约为0.12 GW/cm2.

实验中,通过改变纯水SA 的厚度分别得到了调Q和锁模脉冲,虽然都是利用纯水SA 的可饱和吸收效应实现的,但是二者的原理不同.当纯水SA 的厚度较大且泵浦功率较低时,腔内的损耗较高且增益较低,反转粒子数更容易积累,因此容易产生调Q脉冲.当纯水SA 的厚度较小并且泵浦功率较高时,腔内容易激发出更多的纵模,因此有利于锁模脉冲的产生.

4 结论

本文搭建了基于纯水SA 的掺铥全光纤脉冲激光器,调节SA 厚度分别实现了调Q和锁模操作.稳定的调Q脉冲最大输出功率为0.531 mW,此时的重复频率为53.45 kHz,脉冲宽度为3.01 µs.而锁模状态下输出功率提升至2.28 mW,这是由于水层厚度的降低减小了插损,锁模脉冲的重复频率为17.69 MHz,脉冲宽度为1.42 ps.使用纯水作为SA 的被动锁模光纤激光器,考虑到其皮秒级的响应时间、低廉的价格和极高的损伤阈值,基于纯水的SA 可能在超快光纤激光器领域有着更广泛的运用.