令維軍 夏濤 董忠 左銀艷 李可 劉勍路飛平 趙小龍 王勇剛

1)(天水師范學(xué)院激光技術(shù)研究所,天水 741001)

2)(陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院,西安 710062)

1 引 言

摻有三價稀土離子Tm3+,Ho3+的2μm波段固體激光器,具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注.由于2μm在水分子吸收峰附近并處于大氣的窗口波段,因此在空間通訊、醫(yī)學(xué)手術(shù)、激光測距、激光雷達(dá)、大氣環(huán)境監(jiān)測、高分子材料加工等多方面應(yīng)用前景非常廣闊[1,2].近年來,隨著可飽和吸收體技術(shù)的日趨成熟和新材料多樣化,利用可飽和吸收體作為鎖模啟動元件成為2μm波段皮秒和飛秒全固態(tài)激光器主流研究方向之一.

從已報(bào)道的結(jié)果來看,目前在2μm波段實(shí)現(xiàn)皮秒或飛秒的主要可飽和吸收體為半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)[3?7],但SESAM的制造過程非常復(fù)雜,成本昂貴,且其操作范圍受到材料的限制,因此尋找新的可飽和吸收材料受到人們的重視.單壁碳納米管可飽和吸收體(SWCNTSAs),制造工藝相對簡單、成本低廉、內(nèi)在的快捷恢復(fù)時間達(dá)到亞皮秒量級,且SWCNT-SAs具有金屬或金屬半導(dǎo)體性質(zhì),穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)以及高的光學(xué)損傷閾值,吸收帶寬通過多樣的管徑和手性被控制,寬的吸收特性涵蓋0.8—2μm的近紅外光譜.2004年,Set等[8]首次利用SWCNT-SAs在摻Er光纖激光器中實(shí)現(xiàn)了被動鎖模;之后,文獻(xiàn)[9—11]利用SWCNT-SAs在0.8,1.0,1.25,1.34,1.5,1.6和1.95μm固體激光器中實(shí)現(xiàn)了被動鎖模.2μm波段固體鎖模激光器中,2010年,Cho等[12]首次在Tm:KLuW晶體中利用SWCNT-SAs實(shí)現(xiàn)2μm波段固體激光器的被動鎖模運(yùn)轉(zhuǎn),目前獲得的最短的摻銩介質(zhì)鎖模脈沖寬度141 fs就是采用SWCNT-SAs實(shí)現(xiàn)的[13].可見SWCNT-SAs作為可飽和吸收體具有潛在的應(yīng)用優(yōu)勢.但截至目前,還沒有一種成熟的、商業(yè)化的SWCNT-SAs,僅僅處于科研階段,因此SWCNT-SAs材料的制作還需要人們不斷地探索和努力.本課題組與王勇剛教授研究小組聯(lián)合研究新可飽和吸收體材料在2μm固體激光器中鎖模特性,2017年,我們報(bào)道了WS2-SAs材料在Tm,Ho:LLF(Tm,Ho:LiLuF4,Tm,Ho:LLF)晶體中的調(diào)Q鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)[14],Zhang等[15]利用Cr2+:ZnS-SAs在Tm,Ho:LLF晶體中實(shí)現(xiàn)調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn).本文研究SWCNT-SAs作為可飽和吸收體的Tm,Ho:LiLuF4全固態(tài)激光器的被動調(diào)Q鎖模特性.

利用本課題組自行搭建的可調(diào)諧摻鈦藍(lán)寶石固體激光器作為2μm激光器的抽運(yùn)源,其光束質(zhì)量好,波長從720—850 nm可調(diào),基本包涵摻Tm或Tm和Ho共摻激光晶體的其中一個或幾個吸收峰,從而利用一臺抽運(yùn)源可對不同的摻Tm或Tm和Ho共摻激光晶體和可飽和吸收體材料進(jìn)行研究,但作為抽運(yùn)源的摻鈦藍(lán)寶石激光器成本昂貴,其成本與抽運(yùn)光功率成正比例關(guān)系,如何在低抽運(yùn)功率下實(shí)現(xiàn)2μm激光運(yùn)轉(zhuǎn)對于降低2μm光源價格具有實(shí)際意義.一般來說,設(shè)計(jì)低閾值腔[16?18]采用小曲率半徑四鏡腔,由于穩(wěn)區(qū)的減小使得諧振腔調(diào)節(jié)難度加大,啟動和維持鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)要求更高,所以很少報(bào)道低閾值運(yùn)轉(zhuǎn)的鎖模激光器特性研究,尤其是在2μm固體激光器中至今尚未見有報(bào)道.

本文從低閾值理論出發(fā),通過特殊的腔型設(shè)計(jì),對比不同的輸出耦合鏡,結(jié)合自己制作的SWCNT-SAs材料,首次利用SWCNT-SAs在Tm,Ho:LLF固體激光器中實(shí)現(xiàn)低閾值調(diào)Q鎖模自啟動運(yùn)轉(zhuǎn).采用1.5%,3%和5%的輸出耦合鏡,獲得了出光閾值低至52,59和62 mW的連續(xù)光輸出.采用3%輸出耦合鏡,獲得了閾值低至250 mW的穩(wěn)定調(diào)Q鎖模脈沖輸出,調(diào)Q包絡(luò)的脈寬為2μs,最大輸出功率為154 mW,調(diào)Q包絡(luò)下鎖模脈沖序列的重復(fù)頻率為178.6 MHz,中心波長為1895 nm,調(diào)制深度接近100%.

2 SWCNT-SAs材料的制備

SWCNT-SAs材料采用垂直生長法制備,其過程如下:SWCNT的直徑約為1.5 nm,長度分布為1—5μm,為了使單壁碳納米管溶解到水中,經(jīng)過了H2SO4/HNO3處理.將4 mg SWCNT粉末置于10 mL水中,先后經(jīng)過超聲及離心處理,制備出SWCNT水溶液.將溶液注入一個聚苯乙烯方盒中,將石英片沿對角線垂直放進(jìn)盒中,靜置兩周,待溶液蒸發(fā)完后,取出石英片,SWCNT材料沉積在石英片的兩側(cè),材料的濃度為4 mg/mL,如圖1所示.

圖1 SWCNT可飽和吸收體Fig.1.SWCNT saturable absorber.

圖2 低閾值Tm,Ho:LLF被動鎖模激光實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2.The schematic diagram of experiment of low threshold Tm,Ho:LLF passively Q-switched modelocking laser.

3 實(shí)驗(yàn)裝置

低閾值Tm,Ho:LLF被動鎖模激光實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,實(shí)驗(yàn)采用的Tm,Ho:LLF激光晶體以布儒斯特角進(jìn)行切割,對兩個通光端面進(jìn)行拋光,銩(Tm3+)和鈥(Ho3+)離子的摻雜濃度分別為5%和0.5%,尺寸3 mm×3 mm×8 mm.用銦箔包裹激光晶體后夾持在紫銅冷卻片內(nèi),實(shí)驗(yàn)過程中采用8°C恒溫循環(huán)水冷系統(tǒng)對紫銅晶體夾進(jìn)行冷卻,達(dá)到冷卻激光晶體的效果.抽運(yùn)源為可調(diào)諧的摻鈦藍(lán)寶石固體激光器,通過腔內(nèi)雙折射濾光片可將輸出波長調(diào)諧到780.5 nm,正好對應(yīng)該激光晶體在720—850 nm波長范圍內(nèi)一個強(qiáng)吸收峰.腔型為五鏡腔系統(tǒng),不同于以往設(shè)計(jì)的腔型,我們將聚焦透鏡L2的焦距選為100 mm.抽運(yùn)平凹鏡M9和M10的凹面曲率半徑分別為50 mm和75 mm,其對770—1050 nm波長抽運(yùn)激光透過率大于95%,對1800—2075 nm波段的反射率大于99.9%.M11為輸出耦合鏡,聚焦平凹鏡M12的凹面曲率半徑為100 mm,對1800—2075 nm波長反射率大于99.9%,M13為平面高反鏡,對1800—2075 nm波長反射率大于99.9%.使振蕩光在激光晶體中的光斑更小,很大程度上降低了啟動鎖模閾值功率.利用激光腔模ABCD矩陣模擬振蕩光斑,可以計(jì)算出晶體中最小光腰半徑為20μm.SWCNT-SAs位于M12焦點(diǎn)附近,表面光束半徑約為28μm,易于獲得高的功率密度啟動鎖模運(yùn)轉(zhuǎn).

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

采用上述光路設(shè)計(jì),如圖3(a)所示.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在激光運(yùn)轉(zhuǎn)和非運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下,激光晶體對振蕩光具有不同的吸收率,并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時,不同的輸出鏡對應(yīng)的晶體吸收效率也略有不同.當(dāng)腔內(nèi)無激光運(yùn)轉(zhuǎn)時,激光晶體的吸收效率為33.61%;當(dāng)腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)光運(yùn)轉(zhuǎn)時,選用1.5%的輸出耦合鏡,激光晶體的吸收效率為59.42%,選用3%和5%的輸出耦合鏡,激光晶體的吸收效率約為63.6%;當(dāng)腔內(nèi)插入SWCNT-SAs時,選用1.5%和3%的輸出耦合鏡,激光晶體的吸收效率為55.3%,得出腔內(nèi)引入SWCNT-SAs增加腔內(nèi)損耗,降低了激光晶體吸收效率.

圖3(b)顯示了不同吸收功率下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)和調(diào)Q鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)激光輸出功率與抽運(yùn)功率的關(guān)系.在激光腔長度不變的情況下,模擬了晶體中振蕩光斑大小,對于標(biāo)準(zhǔn)腔(M9=M10=100 mm)晶體中光斑為44μm,對我們設(shè)計(jì)的低閾值腔對應(yīng)的晶體中振蕩光斑為20μm,相對于標(biāo)準(zhǔn)腔設(shè)計(jì)光斑面積減少了(44/20)2,即4.84倍.這樣腔內(nèi)的激光強(qiáng)度增加了4.84倍,在同樣的出光強(qiáng)度下,大幅的降低了激光運(yùn)轉(zhuǎn)閾值.為了實(shí)現(xiàn)低閾值腔與抽運(yùn)光的模式匹配,我們采用一個焦距為f=100 mm的聚焦透鏡,其聚焦光斑約為12μm,對應(yīng)的抽運(yùn)系數(shù)約為0.6,這個值接近于激光效率最高的、最優(yōu)化的抽運(yùn)系數(shù)0.5[18].當(dāng)腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)光運(yùn)轉(zhuǎn)時,選用1.5%,3%和5%輸出耦合鏡時,出光閾值分別低至52,59和62 mW,實(shí)現(xiàn)了激光低閾值運(yùn)轉(zhuǎn),斜效率分別為31.02%,39.16%和43.78%,輸出最高功率分別為645,828和940 mW.當(dāng)腔內(nèi)插入SWCNT-SAs時,首先選用1.5%的輸出鏡,此時出光閾值低至85 mW,但激光器最大輸出功率僅為70 mW;選擇3%的輸出耦合鏡,實(shí)現(xiàn)了出光閾值低至99 mW,當(dāng)吸收抽運(yùn)功率為250 mW時,實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的調(diào)Q鎖模運(yùn)轉(zhuǎn),輸出最高功率為154 mW,斜效率分別為8.47%;采用5%的輸出鏡,由于腔內(nèi)損耗過大,無法實(shí)現(xiàn)調(diào)Q鎖模運(yùn)轉(zhuǎn).所以調(diào)Q鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)時,選用3%輸出鏡輸出功率比1.5%輸出鏡高出2倍多,但閾值相差僅僅14 mW,所以我們在調(diào)Q鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)時主要選用3%輸出鏡.圖中對應(yīng)的功率曲線并沒有達(dá)到飽和,由于我們的抽運(yùn)光功率有限,相信后期提高抽運(yùn)功率將有望得到連續(xù)鎖模的結(jié)果.

圖3 (a)晶體吸收效率;(b)連續(xù)光和鎖模輸出功率隨吸收抽運(yùn)功率的變化Fig.3.(a)The change chart of crystal absorption effi ciency;(b)the change chart of the average output power of continuous wave and mode locking with absorbed pump power.

鎖模脈沖的光譜通過光譜分析儀(AvaSpec-NIR256-2.5 TEC)測量得到,如圖4所示,輸出調(diào)Q鎖模光的中心波長為1895 nm,光譜的半高寬為18 nm,按照傅里葉變換極限理論,雙曲正割脈沖時間帶寬積為0.315,在1895 nm處理論上支持210 fs的超短脈沖.通過2μm快速光電二極管(ET-5000)連接500 MHz的數(shù)字示波器(RIGOL,DS4054)探測調(diào)Q鎖模脈沖序列.圖5分別是掃描時間為1μs和10 ns所獲得的調(diào)Q鎖模脈沖序列,測得調(diào)Q包絡(luò)的脈寬為2μs,調(diào)Q包絡(luò)下鎖模脈沖的頻率為178.6 MHz,由鎖模包絡(luò)可以看出鎖模脈沖的調(diào)制深度接近100%.通過鎖模重復(fù)頻率理論公式f=C/2L(C為光速,L為振蕩腔的長度),可以算出實(shí)驗(yàn)中所用的腔長滿足所測得重復(fù)頻率,最大的單脈沖能量為0.86 nJ.

圖4 鎖模光譜圖Fig.4.The emission spectrum of the mode locking laser.

圖5 掃描時間為1μs和10 ns的鎖模脈沖序列Fig.5.Mode-locked pulse trains recorded in 1μs and 10 ns per division(div)time scales.

實(shí)驗(yàn)中采用商業(yè)自相關(guān)儀(APE,pulse check 50)測量脈沖寬度,該自相關(guān)儀可測量的最大脈沖寬度為35 ps,由于實(shí)際的脈沖寬度比35 ps要寬,所以沒有測量到準(zhǔn)確的脈沖自相關(guān)蹤跡.利用公式(tm為被測鎖模脈沖上升沿時間,tr為實(shí)際鎖模脈沖上升沿時間,tp為光電探測器上升沿時間,to為示波器上升沿時間)可估算鎖模脈沖的寬度[19].實(shí)驗(yàn)中被測鎖模脈沖上升沿時間約960 ps,光電探測器上升沿時間為35 ps,利用to×WB=0.35?0.4(WB為示波器的帶寬,實(shí)驗(yàn)中示波器的帶寬為500 MHz)可估算試驗(yàn)中to=800 ps,因此可計(jì)算實(shí)際鎖模脈沖上升沿時間為530 ps,由于脈沖寬度約等于上升沿時間的1.25倍,故實(shí)際鎖模脈沖寬度約為663 ps.通過提高抽運(yùn)功率,降低SWCNT材料的損耗,有望實(shí)現(xiàn)連續(xù)鎖模脈沖,得到更加窄的脈沖寬度.

5 結(jié) 論

綜上所述,本文采用低閾值諧振腔設(shè)計(jì),首次將SWCNT-SAs用于Tm,Ho:LLF全固態(tài)激光器中實(shí)現(xiàn)了低閾值調(diào)Q鎖模運(yùn)轉(zhuǎn).分別用1.5%,3%和5%的輸出耦合鏡,獲得了出光閾值低至52,59和62 mW的連續(xù)光輸出,輸出最高功率分別為645,828和940 mW.采用3%輸出耦合鏡,引入SWCNT-SAs,實(shí)現(xiàn)了出光閾值低至99 mW,獲得了閾值低至250 mW的穩(wěn)定調(diào)Q鎖模脈沖輸出,中心波長為1895 nm,輸出最高功率為154 mW,調(diào)Q包絡(luò)的脈寬為2μs,最大輸出功率154 mW,調(diào)Q包絡(luò)下鎖模脈沖重復(fù)頻率178.6 MHz,最大的單脈沖能量為0.86 nJ,調(diào)制深度接近100%.實(shí)驗(yàn)表明,SWCNT可作為2μm波段很有競爭力的鎖模啟動元件.后期我們將提高抽運(yùn)光功率,優(yōu)化SWCNT材料的質(zhì)量,在腔內(nèi)進(jìn)行色散補(bǔ)償,可望實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)鎖模運(yùn)轉(zhuǎn),獲得飛秒量級的鎖模超短脈沖輸出.

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