吳 健,吳端端,黃義忠,羅正錢,許惠英,蔡志平

(廈門大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,光電子技術(shù)研究所,福建 廈門 361005)

光纖激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、體積小、光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊、散熱方便等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于光纖通信、材料加工、傳感等領(lǐng)域[1-3]．尤其是高功率、大脈沖能量、高穩(wěn)定度的脈沖光纖激光器,在工業(yè)加工、醫(yī)療、科學(xué)研究等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[4]．目前,被動(dòng)調(diào)Q由于無(wú)需額外的電子Q開(kāi)關(guān)器件,如聲光調(diào)Q器、電光調(diào)Q器,即可較廉價(jià)獲得高質(zhì)量的調(diào)Q脈沖而備受青睞．被動(dòng)調(diào)Q的關(guān)鍵在于插入到激光諧振腔中的可飽和吸收體,20多年來(lái),已發(fā)現(xiàn)多種可飽和吸收體,包括過(guò)渡族金屬摻雜晶體、半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)、碳納米管(CNT)等[5-7]．但過(guò)渡族金屬摻雜晶體由于其塊狀結(jié)構(gòu)而不利于全光纖化;SESAM雖然恢復(fù)時(shí)間快,穩(wěn)定性好,但其制備工藝復(fù)雜,成本高;CNT具有價(jià)格低廉,超快恢復(fù)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn),但其可飽和吸收波長(zhǎng)取決于他的管徑,且制備時(shí)管徑可控性差,難以實(shí)現(xiàn)真正意義上的全波段可飽和吸收;因此尋找更為有益的可飽和吸收體顯得非常必要和迫切．自2004年被發(fā)現(xiàn)以來(lái),石墨烯便掀起了世界范圍內(nèi)的研究熱潮[8]．由于其獨(dú)特的二維蜂窩狀晶格和零帶隙狄拉克錐結(jié)構(gòu),石墨烯具有獨(dú)特的光學(xué)特性,作為可飽和吸收體時(shí),具有可飽和閾值低、調(diào)制深度大、恢復(fù)時(shí)間快、超寬帶可飽和吸收等優(yōu)勢(shì)．2009年,Bao等[9]首次將石墨烯作為可飽和吸收體應(yīng)用于摻鉺光纖激光器中,實(shí)現(xiàn)了鎖模激光輸出．2010年,廈門大學(xué)Luo等[10]首次利用石墨烯獲得了雙波長(zhǎng)被動(dòng)調(diào)Q摻鉺光纖激光器,其重復(fù)頻率為3.3～65.9 kHz可調(diào),最小脈寬和最大單脈沖能量分別為3.7 μs和16.7 nJ．

目前報(bào)道的石墨烯調(diào)Q光纖激光器大多數(shù)采用多層石墨烯或者聚合物石墨烯[11-13],雖然多層石墨烯可以一定程度上增大其調(diào)制深度,但同時(shí)增加了其非飽和損耗,從而降低了石墨烯的損傷閾值,使用單層化學(xué)氣相沉法積(CVD)石墨烯具有非常低的非飽和損耗,其損傷閾值超大,并更能反映石墨烯的光學(xué)特性.另一方面,以往的石墨烯調(diào)Q光纖激光器大都采用單包層摻鉺或者摻鐿光纖作為增益介質(zhì)[11-14],這大大限制了調(diào)Q激光的大脈沖能量獲得,因此本實(shí)驗(yàn)采用摻鐿雙包層光纖作為增益介質(zhì),借助其超大增益,將有望實(shí)現(xiàn)高平均功率、大脈沖能量的全光纖石墨烯調(diào)Q光纖激光器．

本文利用單層CVD石墨烯作為可飽和吸收體,采用三明治結(jié)構(gòu),將其插入摻鐿環(huán)形腔中,實(shí)現(xiàn)了調(diào)Q光纖激光器．得益于石墨烯優(yōu)異的可飽和吸收特性和摻鐿雙包層超大增益和大比例激光輸出,獲得的調(diào)Q激光重復(fù)頻率為9.7～26.46 kHz可調(diào),最大輸出功率為46 mW,最窄脈寬和最大單脈沖能量分別為4.5 μs和1.7 μJ.

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 單層CVD石墨烯調(diào)Q器制備

實(shí)驗(yàn)用的單層石墨烯是通過(guò)CVD生長(zhǎng)在銅箔上的,生長(zhǎng)過(guò)程可參考文獻(xiàn)[15]．為將石墨烯插入激光腔中作為調(diào)Q器件,石墨烯需從銅箔轉(zhuǎn)移到光纖連接頭端面上,具體的轉(zhuǎn)移步驟如下:1) 裁剪一塊1 cm×1 cm大小的石墨烯銅箔片,通過(guò)勻膠機(jī)將聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)均勻涂覆在石墨烯表面;2) 浸泡至硫酸銨溶液直至銅箔完全溶解,同時(shí)在去離子水中清洗雜質(zhì);3) 以光纖連接頭端面承載PMMA/石墨烯薄膜,并在烘箱中烘干．獲得的PMMA/石墨烯光纖連接頭通過(guò)法蘭盤與另一個(gè)全新的光纖端頭連接便構(gòu)成了實(shí)驗(yàn)用的PMMA/石墨烯調(diào)Q器．保留PMMA,可以避免銅箔溶解過(guò)程中造成石墨烯塌陷,同時(shí)在光纖端頭連接中保護(hù)石墨烯．為表征獲得的石墨烯調(diào)Q器件,我們通過(guò)拉曼光譜分析儀測(cè)量了石墨烯的拉曼譜,如圖1所示,圖中直接扣除了PMMA的拉曼特征峰．從圖1可得,D峰非常微弱,說(shuō)明獲得的石墨烯質(zhì)量很高．2D峰的強(qiáng)度與G峰強(qiáng)度的比值大于2,并且2D峰的全半高寬度約為31.75 cm-1,表明獲得的石墨烯是單層的[16-17]．圖1的插圖是制備好的PMMA/石墨烯光纖連接頭,從圖中明顯可見(jiàn),石墨烯確實(shí)轉(zhuǎn)移到了光纖端面．

圖1 石墨烯拉曼譜及PMMA/石墨烯光纖端面圖Fig.1 Raman spectrum of graphene with photograph of the PMMA/graphene fiber ferrule

1.2 摻鐿雙包層激光器設(shè)計(jì)

單層CVD石墨烯被動(dòng)調(diào)Q摻鐿雙包層激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2所示．整個(gè)激光器采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu),總腔長(zhǎng)約10 m．975 nm半導(dǎo)體激光器(LD,BWT DS3-11312-112)作為泵浦源,其最大輸出功率為9 W,經(jīng)過(guò)975 nm/1 064 nm合束器泵浦一段4 m長(zhǎng)摻鐿雙包層光纖(YDCF)以獲得大脈沖能量調(diào)Q激光,F-P濾波器(Micron Optics Inc.Serial NO.10171)作為激射波長(zhǎng)選擇器件插入腔內(nèi),隔離器保證腔內(nèi)激光的順時(shí)針單向運(yùn)行,偏振控制器用來(lái)調(diào)節(jié)腔內(nèi)激光偏振,三明治結(jié)構(gòu)的單層CVD石墨烯調(diào)Q器接入腔內(nèi)以獲取高質(zhì)量調(diào)Q脈沖．出于以下考慮:1) 盡量降低入射在石墨烯上的光強(qiáng),以防止熱損傷和過(guò)早被“漂白”;2) 經(jīng)過(guò)YDCF放大后,可獲得大功率激光輸出,我們將功率比為95∶5的耦合器放置在4 m YDCF后,其中95%端輸出調(diào)Q激光．實(shí)驗(yàn)中,我們結(jié)合光譜儀(HP 70951B)、示波器(Tektronix TDS1012)和光電探測(cè)器、頻譜儀(GWINSTEK GSP-930)及功率計(jì)(THORLABS PM20CH)分別測(cè)量了調(diào)Q激光的光譜、時(shí)域脈沖、頻譜和輸出功率．

圖2 被動(dòng)調(diào)Q光纖激光器裝置圖Fig.2 Schematic setup of the passively Q-switched fiber laser

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3 不同泵浦功率下調(diào)Q脈沖序列圖Fig.3 The various pulse trains obtained under different pump powers

實(shí)驗(yàn)中,在沒(méi)有加入石墨烯調(diào)Q器時(shí),無(wú)論是改變泵浦功率還是調(diào)節(jié)偏振控制器,均不能獲得調(diào)Q激光．腔內(nèi)接入石墨烯調(diào)Q器后并逐漸增加泵浦功率,當(dāng)泵浦功率為500.1 mW時(shí),激光開(kāi)始激射,調(diào)Q脈沖出現(xiàn)在518.4 mW．當(dāng)泵浦功率為536.7，637.3，701.3，756.1 mW時(shí),調(diào)Q脈沖序列分別如圖3中的(a)～(d)所示．從圖中可以看出,不同泵浦功率下,調(diào)Q序列幾乎沒(méi)有時(shí)間抖動(dòng),且振幅抖動(dòng)都<5%,并且重復(fù)頻率隨著泵浦功率增加而增大,說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中獲得的調(diào)Q激光非常穩(wěn)定．

圖4記錄了當(dāng)泵浦功率為637.3 mW時(shí)，石墨烯調(diào)Q激光的典型光譜、脈沖序列、單脈沖和頻譜.由圖4(a)可知，調(diào)Q激光的中心波長(zhǎng)為1 063.6 nm，其3 dB帶寬為0.06 nm，如此窄的光譜寬度是由所采用的F-P濾波器的帶寬所決定的，并且有利于抑制自鎖模的產(chǎn)生.與其對(duì)應(yīng)得，此時(shí)調(diào)Q激光的重復(fù)頻率為17.59 kHz (如圖4(b)所示)，并且時(shí)間抖動(dòng)非常小，圖4(c)記錄了相應(yīng)的單脈沖形狀，其具有sech2型，并且其脈寬為4.8 μs，這與報(bào)道的CNT或者石墨烯調(diào)Q光纖激光器是相當(dāng)?shù)模蓤D4(d)可知，調(diào)Q的信噪比約為35 dB，反映了該泵浦功率下，調(diào)Q脈沖是穩(wěn)定運(yùn)行的.

圖5所示為調(diào)Q激光重復(fù)頻率、輸出功率、脈沖寬度和單脈沖能量隨泵浦功率的變化圖．從圖5(a)中可以看出,當(dāng)泵浦功率從518.4 mW逐漸增加到756.1 mW時(shí),重復(fù)頻率與輸出功率幾乎都是呈線性增大的,重復(fù)頻率在9.7～26.46 kHz之間連續(xù)可調(diào),輸出功率也從6.45 mW逐步增加到46 mW．由圖5(b)中可知,脈沖寬度隨著泵浦功率的增加先是從15 μs線性減小至約4.5 μs并趨于飽和,這是由于在泵浦功率增加的過(guò)程中,石墨烯的吸收損耗逐漸減小,調(diào)制深度逐漸增加,使得脈沖寬度線性減小,但當(dāng)泵浦功率達(dá)到一定值時(shí),石墨烯達(dá)到飽和狀態(tài),即“漂白”狀態(tài),因此脈沖寬度趨于一個(gè)穩(wěn)定值．單脈沖能量隨著泵浦功率的增加,從0.8 μJ增加至最大值1.7 μJ并伴有下降趨勢(shì),并由于石墨烯的“漂白”而達(dá)到飽和,這也是迄今為止在全光纖的石墨烯被動(dòng)調(diào)Q激光器中所獲得的最大單脈沖能量,這歸因于YDCF的超大增益、單層CVD石墨烯的超低損耗和大比例的激光輸出．

(a)光譜；(b)脈沖序列；(c)單脈沖；(d)頻譜圖.圖4 泵浦功率為637.3 mW時(shí),石墨烯調(diào)Q激光的典型譜圖Fig.4 The typical spectra of the graphene Q-switched fiber laser at pump power of 637.3 mW

圖5 重復(fù)頻率與輸出功率(a)及脈沖寬度與單脈沖能量隨泵浦功率變化圖(b)Fig.5 Repetition rate and output power (a) pulse width and single pulse energy (b) versus incident pump power

3 討 論

本文將CVD法生長(zhǎng)的單層石墨烯通過(guò)PMMA從銅箔上轉(zhuǎn)移到光纖端面,并采用三明治結(jié)構(gòu),制備成PMMA/石墨烯調(diào)Q器,并將其插入到摻鐿雙包層環(huán)形腔激光器中,實(shí)現(xiàn)了全光纖結(jié)構(gòu)、大脈沖能量、穩(wěn)定的調(diào)Q激光輸出．當(dāng)泵浦功率從518.4 mW增加至756.1 mW,調(diào)Q激光重復(fù)頻率在9.7～26.46 kHz之間連續(xù)可調(diào),脈沖寬度從15 ns減小至4.5 ns,最大輸出功率和單脈沖能量為46 mW，1.7 μJ,這主要?dú)w因于單層石墨烯的超低損耗、YDCF的超強(qiáng)增益、大比例功率耦合輸出．進(jìn)一步優(yōu)化激光器腔結(jié)構(gòu)、增益光纖長(zhǎng)度,改進(jìn)石墨烯調(diào)Q器制作方法,將有望使用單層石墨烯實(shí)現(xiàn)更大輸出功率與單脈沖能量的被動(dòng)調(diào)Q光纖激光器．

[1] Carruthers T F,Duling I N.10-GHz,1.3-ps erbium fiber laser employing soliton pulse shortening[J].Optics Letters,1996,21(23):1927-1929.

[2] Jeong Y,Sahu J,Payne D,et al.Ytterbium-doped large-core fiber laser with 1.36 kW continuous-wave output power[J].Optics Express,2004,12(25):6088-6092.

[3] Kringlebotn J T,Loh W H,Laming R I.Polarimetric Er3+-doped fiber distributed-feedback laser sensor for differential pressure and force measurements[J].Optics Letters,1996,21(22):1869-1871.

[4] Richardson D J,Nilsson J,Clarkson W A.High power fiber lasers:current status and future perspectives[J].JOSAB,2010,27(11):63-92.

[5] Laroche M,Gilles H,Girard S,et al.Nanosecond pulse generation in a passively Q-switched Yb-doped fiber laser by Cr4+:YAG saturable absorber[J].Photonics Technology Letters,IEEE,2006,18(6):764-766.

[6] Huang J Y,Huang S C,Chang H L,et al.Passive Q switching of Er-Yb fiber laser with semiconductor saturable absorber[J].Optics Express,2008,16(5):3002-3007.

[7] Zhou D P,Wei L,Dong B,et al.Tunable passively-switched erbium-doped fiber laser with carbon nanotubes as a saturable absorber[J].Photonics Technology Letters,IEEE,2010,22(1):9-11.

[8] Novoselov K S A,Geim A K,Morozov S V,et al.Two-dimensional gas of massless dirac fermions in graphene[J].Nature,2005,438(7065):197-200.

[9] Bao Q,Zhang H,Wang Y,et al.Atomic-layer graphene as a saturable absorber for ultrafast pulsed lasers[J].Advanced Functional Materials,2009,19(19):3077-3083.

[10] Luo Z,Zhou M,Weng J,et al.Graphene-based passively Q-switched dual-wavelength erbium-doped fiber laser[J].Optics Letters,2010,35(21):3709-3711.

[11] Popa D,Sun Z,Hasan T,et al.Graphene Q-switched,tunable fiber laser[J].Applied Physics Letters,2011,98(7):073106.

[12] Cao W J,Wang H Y,Luo A P,et al.Graphene-based,50 nm wide-band tunable passively Q-switched fiber laser[J].Laser Physics Letters,2012,9(1):54.

[13] Wang Z T,Chen Y,Zhao C J,et al.Switchable dual-wavelength synchronously Q-switched erbium-doped fiber laser based on graphene saturable absorber[J].Photonics Journal,IEEE,2012,4(3):869-876.

[14] Liu J,Wu S,Yang Q H,et al.Stable nanosecond pulse generation from a graphene-based passively Q-switched Yb-doped fiber laser[J].Optics Letters,2011,36(20):4008-4010.

[15] Li X,Cai W,An J,et al.Large-area synthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils[J].Science,2009,324(5932):1312-1314.

[16] Ferrari A C,Meyer J C,Scardaci V,et al.Raman spectrum of graphene and graphene layers[J].Physical Review Letters,2006,97(18):187401.

[17] Graf D,Molitor F,Ensslin K,et al.Spatially resolved Raman spectroscopy of single-and few-layer graphene[J].Nano Letters,2007,7(2):238-242.