戴川生 董志鵬 林加強 姚培軍? 許立新 顧春

1) (中國科學技術大學物理學院,核探測與核電子學國家重點實驗室,安徽省光電子科學與技術重點實驗室,先進激光技術安徽省實驗室,合肥 230026)

2) (廈門大學電子工程系,廈門 361005)

構建了純水作為可飽和吸收體的被動調Q 和鎖模摻銩光纖激光器.通過陶瓷套管將純水固定在兩個光纖跳線頭之間,調整水層厚度可以分別實現(xiàn)調Q 和鎖模操作.調Q 狀態(tài)下的最大輸出功率為0.531 mW,此時的重復頻率為53.45 kHz,脈沖寬度為3.01 μs.鎖模狀態(tài)下的最大輸出功率為2.28 mW,重復頻率為17.69 MHz,脈沖寬度為1.42 ps.本文使用純水作為可飽和吸收體的被動鎖模光纖激光器,其具有皮秒級的響應時間、低廉的價格和極高的損傷閾值,可為摻銩全光纖脈沖激光器提供一種新方案.

1 引言

超短脈沖光纖激光器具有穩(wěn)定性好、結構緊湊、單脈沖能量高等優(yōu)點,近年來工作在1.8—2.1 μm光譜范圍內的超短脈沖激光受到了廣泛的關注,其在激光光譜學、生物醫(yī)學、光通信和傳感等領域具有廣泛應用[1-7].產生脈沖的方法主要有兩種: 主動調制和被動調制.主動調制需要通過外部調制器(聲光/電光調制器)來實現(xiàn),但這不僅增加了成本,還降低了系統(tǒng)的便攜性;被動調制只需要在腔內加入一個振幅自調制器件,不需要任何外部器件.目前報道的被動調Q和鎖模光纖激光器主要是基于非線性偏振演化(nonlinear polarization evolution,NPE)[8-10]以及可飽和吸收體(saturable absorber,SA)實現(xiàn).然而,基于NPE 技術的調Q和鎖模激光器對腔內偏振變化敏感,難以應用于成熟的激光產品.利用SA 進行被動調Q和鎖模操作被認為是獲得脈沖激光的一種方便和低成本的方法.一個好的SA 應該具有較大的調制深度、較高的損傷閾值、超快的恢復時間和寬帶可飽和吸收性.

適用于1.9 μm 光譜區(qū)域被動調Q和鎖模激光器的SA 有多種類型,如半導體飽和吸收鏡(semiconductor saturable absorber mirror,SESAM)[11]、石墨烯[12]、碳納米管[13,14]、黑磷[15]、過渡金屬硫化物[16]等.雖然SESAM 的制作工藝已經成熟,但是其狹窄的工作帶寬和昂貴的成本限制了自身的應用.而石墨烯、碳納米管、黑磷、過渡金屬硫化物等二維材料具有損傷閾值較低的缺點.最近,有相關研究報道將純水作為SA 具有損傷閾值高、價格低廉、散熱性能好、穩(wěn)定性高的優(yōu)點.2019 年,Xian 等[17]利用純水SA 實現(xiàn)了被動調Q摻鉺光纖激光器.據(jù)我們所知,目前還沒有利用純水SA 實現(xiàn)被動鎖模操作的報道,實際上水分子對于1.80—1.95 μm波段的光具有很強的吸收能力[18,19],所以本文嘗試在這個波段內利用純水SA 實現(xiàn)鎖模操作.

本文實現(xiàn)了一種基于純水SA 的摻銩全光纖脈沖激光器.通過陶瓷套管將純水固定在兩個螺紋型/物理接觸(ferrule contactor/physical contact,FC/PC)光纖跳線頭之間,調整水層厚度可以分別實現(xiàn)調Q和鎖模操作.利用純水作為SA 的材料極大地降低了激光器成本,且由于水分子的結構非常穩(wěn)定,所以純水SA 的穩(wěn)定性和損傷閾值較高.本文為摻銩全光纖脈沖激光器提供了一種新方案.

2 實驗原理與結構

每個水分子具有兩個氫氧鍵,其能量吸收過程與氫氧鍵的伸縮振動和彎曲振動有關.近紅外光譜中有5 個顯著的水的吸收波段,分別出現(xiàn)在0.76,0.97,1.19,1.45 和1.94 μm[18].1.45 μm 附近的吸收帶與氫氧鍵的伸縮振動有關,1.94 μm 附近的吸收帶與氫氧鍵的彎曲振動有關[17,20,21].2.0 μm 附近水的吸收光譜如圖1 所示.水的頻率相關振動能量弛豫時間為1ps[20,21],遠短于增益介質的上能級壽命,因此純水可以作為快速SA 來實現(xiàn)鎖模操作.

圖1 純水的吸收光譜Fig.1.Absorption spectrum of pure water.

實驗結構如圖2 所示,該環(huán)形腔包含1.5 m 長的摻銩光纖,其型號為Nufern SM-TSF-9/125,由1550 nm 連續(xù)光激光器通過1550/2000 nm 波分復用器進行泵浦.采用偏振無關隔離器保證激光器的單向工作.通過插入偏振控制器來調節(jié)激光在腔內的偏振狀態(tài),以獲得最佳工作狀態(tài).將純水SA 通過陶瓷套管固定在兩個FC/PC 光纖跳線頭之間,實驗中用到的陶瓷套管取自FC/PC 光纖連接器,純水為純度99.99%的去離子水.首先取出一盆純水,將陶瓷套管完全浸沒在純水中并去除套管內的空氣.然后將一對光纖跳線頭用純水擦拭后分別插入陶瓷套管的兩端,跳線頭之間的間隙充滿純水,該步驟全程在純水中操作,以防止間隙中出現(xiàn)氣泡.輕輕推動跳線頭便可以改變間隙的大小從而調節(jié)水層的厚度,因此很容易獲得不同調制深度的SA,這是液體SA 的獨特優(yōu)勢.用90∶10 的光耦合器從激光腔中耦合出10%的腔內能量作為輸出.環(huán)形腔的總長度約為11.31 m,腔內無源光纖的型號均為Nufern SM-1950,環(huán)形腔總色散處于負色散區(qū)域.利用光譜分析儀(ANDO AQ6317B)和2 GHz射頻頻譜分析儀(AV4021)分別測量激光器的光譜和射頻頻譜特性,時域特性則由4 GHz 示波器(Teledyne LeCroy WaveRunner 640Zi)和自相關儀(APE PulseCheck SM250)記錄.

圖2 純水SA 摻銩光纖激光器的實驗結構 TDF,摻銩光 纖;WDM,波分復用器;PI-ISO,偏振無 關隔離 器;PC,偏振控制器;OC,光耦合器;SA,可飽和吸收體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 實驗結果與討論

當泵浦功率提高到152 mW 時,通過改變水層厚度和調節(jié)PC 可以獲得被動調Q脈沖輸出,圖3(a)—(c)分別是泵浦功率為152,238,311 mW時的調Q脈沖序列,顯微鏡下測量得到此時的水層厚度大約為0.2 mm.當泵浦功率增加時,脈沖的重復頻率變高,這是調Q脈沖的典型特征.圖4給出了泵浦功率為152 mW 時的調Q光譜,其中心波長為1870.04 nm,3 dB 光譜帶寬為6.57 nm.光譜上大量的凹陷源于水的強烈吸收[22].脈沖輸出功率和單脈沖能量隨泵浦功率的變化如圖5(a)所示,脈沖寬度和重復頻率隨泵浦功率的變化如圖5(b)所示.當泵浦功率從152 mW 增加到311 mW時,輸出功率從0.135 mW 增加到0.531 mW,單脈沖能量從6.33 nJ 增加到9.94 nJ,脈沖寬度從6.92 μs 減小到3.01 μs,重復頻率從21.31 kHz 增加到53.45 kHz.與鎖模操作不同,調Q脈沖的重復頻率取決于泵浦功率而不是腔長.當泵浦功率增大時,為SA 提供了更高的增益,SA 的飽和速度更快,這導致了重復頻率的增加.

圖3 泵浦功 率不同 時的調Q 脈沖序 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.

圖4 泵浦功率為152 mW 時的調Q 光譜Fig.4.Q-switched optical spectrum under pump power of 152 mW.

圖5 (a) 輸出功率和單脈沖能量隨泵浦功率的變化;(b) 脈沖寬度和重復頻率隨泵浦功率的變化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.

當泵浦功率為311 mW,水層厚度約為0.1 mm時,仔細調節(jié)PC 可以得到穩(wěn)定的鎖模脈沖輸出,此時的輸出功率為2.28 mW,已經達到泵浦激光器最大功率,無法繼續(xù)提升泵浦功率.示波器測得的脈沖序列如圖6(a)所示,脈沖間隔為56.53 ns,與激光器的腔長相吻合.圖6(b)展示了脈沖的自相關軌跡,測得脈沖寬度為1.42 ps.如圖6(c)所示,此時測得輸出激光的中心波長為1884.68 nm,3 dB 光譜寬度為4.27 nm,計算得到時間帶寬積為0.512,略大于傅里葉變換極限雙曲正割脈沖的理論值0.315,說明脈沖存在啁啾.此外可以看到光譜有很明顯的Kelly 邊帶,說明激光器輸出為典型的孤子脈沖.鎖模光譜上大量的凹陷和調Q光譜類似,也是源于水的強烈吸收[22].由圖1 的純水吸收譜可知,在1850—1940 nm 波長內,純水SA對不同波長的損耗不同,存在濾波效果.當激光器處于鎖模狀態(tài)時,水層的厚度比調Q狀態(tài)下小,此時純水SA 整體插損降低,濾波效果下降,因此諧振中心波長發(fā)生變化.此外,鎖模狀態(tài)下脈沖的峰值功率更高,非線性效應會產生更多的頻率成分,這也會對激光器的輸出中心波長產生影響.圖6(d)為輸出激光的射頻頻譜,重復頻率為17.69 MHz,68 dB 的信噪比說明鎖模狀態(tài)非常穩(wěn)定.此外,我們測量了鎖模脈沖的長時間穩(wěn)定性,如圖7 所示.在兩個小時內,輸出鎖模脈沖序列幾乎保持不變,鎖模狀態(tài)表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性.

圖6 (a) 示波器測得的鎖模脈沖序列;(b) 輸出鎖模脈沖的自相關軌跡;(c) 鎖模狀態(tài)的輸出光譜;(d) 鎖模狀態(tài)的輸出射頻頻譜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.

圖7 鎖模脈沖的長時間穩(wěn)定性Fig.7.The long-time stability of mode-locked pulses.

為了表征純水SA 的非線性響應,我們用1.9 μm波段鎖模光纖激光器作為探測光源進行測量,探測光脈沖寬度為2.9 ps,重復頻率為33.07 MHz.10%的輸出功率用于監(jiān)測輸入功率,而90%的剩余激光則進入純水SA.通過改變入射功率得到了純水SA 透過率的變化如圖8 所示典型的飽和吸收曲線,可以用飽和模型方程來描述:

圖8 純水SA 在1.9 μm 波長下的非線性響應Fig.8.Nonlinear response of the pure water SA at 1.9 μm wavelength.

其中T(I) 為 透過率,ΔT為調制深度,I為輸入脈沖峰值強度,Isat為飽和強度,Tns為非飽和損耗.通過計算得到,純水SA 的調制深度約為4.8%,非飽和損耗約為45.6%,飽和強度約為0.12 GW/cm2.

實驗中,通過改變純水SA 的厚度分別得到了調Q和鎖模脈沖,雖然都是利用純水SA 的可飽和吸收效應實現(xiàn)的,但是二者的原理不同.當純水SA 的厚度較大且泵浦功率較低時,腔內的損耗較高且增益較低,反轉粒子數(shù)更容易積累,因此容易產生調Q脈沖.當純水SA 的厚度較小并且泵浦功率較高時,腔內容易激發(fā)出更多的縱模,因此有利于鎖模脈沖的產生.

4 結論

本文搭建了基于純水SA 的摻銩全光纖脈沖激光器,調節(jié)SA 厚度分別實現(xiàn)了調Q和鎖模操作.穩(wěn)定的調Q脈沖最大輸出功率為0.531 mW,此時的重復頻率為53.45 kHz,脈沖寬度為3.01 μs.而鎖模狀態(tài)下輸出功率提升至2.28 mW,這是由于水層厚度的降低減小了插損,鎖模脈沖的重復頻率為17.69 MHz,脈沖寬度為1.42 ps.使用純水作為SA 的被動鎖模光纖激光器,考慮到其皮秒級的響應時間、低廉的價格和極高的損傷閾值,基于純水的SA 可能在超快光纖激光器領域有著更廣泛的運用.