郝倩倩 宗夢(mèng)雨 張振 黃浩 張峰劉杰 劉丹華 蘇良碧 張晗

1) (山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院, 山東省光場(chǎng)調(diào)控中心, 山東省光學(xué)與光子器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 濟(jì)南 250358)

2) (山東師范大學(xué), 光場(chǎng)調(diào)控與應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心, 濟(jì)南 250358)

3) (中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所人工晶體研究中心, 中國(guó)科學(xué)院透明光功能無(wú)機(jī)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201899)

4) (深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院, 深圳 518060)

鉍納米片作為一種新型二維材料, 具有合適的帶隙、較高的載流子遷移率和較好的室溫穩(wěn)定性, 加上優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)特性, 是實(shí)現(xiàn)中紅外脈沖激光的有效調(diào)制器件. 中紅外單晶光纖兼?zhèn)渚w和光纖的優(yōu)勢(shì), 是實(shí)現(xiàn)高功率激光的首選增益介質(zhì). 本文采用超聲波法成功制備了鉍納米片可飽和吸收體, 并首次將其用于二極管抽運(yùn)Er:CaF2 單晶光纖中紅外被動(dòng)調(diào)Q 脈沖激光器中. 在吸收抽運(yùn)功率為1.52 W 時(shí), 獲得平均輸出功率為190 mW 的脈沖激光, 最窄脈沖寬度為607 ns, 重復(fù)頻率為58.51 kHz, 對(duì)應(yīng)的單脈沖能量和峰值功率分別為3.25 μJ 和5.35 W. 結(jié)果表明, 使用鉍納米片作為可飽和吸收體, 是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊的小型中紅外單晶光纖脈沖激光的有效技術(shù)途徑.

1 引 言

中紅外脈沖激光在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、空間探測(cè)和非線性光譜學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用, 是當(dāng)前激光研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)[1,2]. 在中紅外波段, Tm3+,Ho3+和Er3+是產(chǎn)生2—5 μm 波段激光的常見(jiàn)稀土離子[3,4]. Er3+能級(jí)結(jié)構(gòu)豐富, 在4I11/2和4I13/2態(tài)之間躍遷產(chǎn)生的輻射波長(zhǎng)位于2.7—3 μm 范圍內(nèi)[5].半導(dǎo)體激光器直接抽運(yùn)的摻鉺全固態(tài)激光器具有成本低、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)[6], 在中紅外波段頗具競(jìng)爭(zhēng)力. 單晶光纖作為一種新型激光材料具有熱導(dǎo)率高、非線性效應(yīng)小、摻雜濃度高等優(yōu)勢(shì), 加上體積小、重量輕、抽運(yùn)導(dǎo)向好等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注[7,8],上述優(yōu)點(diǎn)使得單晶光纖產(chǎn)生激光的性能優(yōu)于對(duì)應(yīng)的塊狀晶體. 另外, 單晶光纖是介于塊狀單晶和玻璃光纖之間的中間材料. 與玻璃光纖相比, 單晶光纖具有較低的受激布里淵散射截面和較高的熱導(dǎo)率, 另外利用單晶光纖縮短激光諧振腔長(zhǎng)度可以增大激光腔模, 這意味著單晶光纖激光器可以獲得更高的功率[9,10]. 基于這些優(yōu)點(diǎn), Er 摻雜單晶光纖是一種很有前途的中紅外激光材料. 2019 年, 使用溫度梯度技術(shù)生長(zhǎng)的Er:SrF2單晶光纖實(shí)現(xiàn)了連續(xù)激光運(yùn)轉(zhuǎn), 輸出激光最高功率為860 mW, 對(duì)應(yīng)的斜率效率為34.9%[11]. 據(jù)我們所知, 目前還沒(méi)有基于Er 摻雜單晶光纖的脈沖激光報(bào)道.

調(diào)Q技術(shù)是獲得脈沖激光的重要技術(shù)手段.與主動(dòng)調(diào)Q相比, 被動(dòng)調(diào)Q具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉、性能可靠等優(yōu)點(diǎn). 近年來(lái), 石墨烯[12?15]、過(guò)渡金屬硫化物[16?19]、黑磷[20?23]、拓?fù)浣^緣體[24,25]等二維材料以其恢復(fù)時(shí)間快、調(diào)制深度可控、制作方便、吸收帶寬寬等特點(diǎn), 在非線性光學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注[26?28]. 隨著二維材料生長(zhǎng)制備技術(shù)的不斷發(fā)展, 二維材料作為可飽和吸收體被越來(lái)越多地應(yīng)用到被動(dòng)調(diào)Q激光器中[29?31].鉍納米片(bismuth nanosheets: Bi-NSs)作為一種新型的二維材料具有獨(dú)特的光電特性, 加上合適的帶隙、較高的載流子遷移率、較高的損傷閾值和良好的穩(wěn)定性, 使Bi-NSs 可作為性能優(yōu)越的可飽和吸收體[32]. 2018 年Lu 等[33]在1559 nm 光纖激光器中首次證明了Bi-NSs 的飽和吸收特性. 近期本課題組又利用Bi-NSs 作為可飽和吸收體, 在固體激光器中實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)調(diào)Q脈沖激光運(yùn)轉(zhuǎn)[32,34,35]. 但據(jù)我們所知, 目前Bi-NSs 在中紅外單晶光纖激光器中的應(yīng)用還未見(jiàn)報(bào)道.

本文首次將Bi-NSs 作為可飽和吸收體用于單晶光纖激光器中, 成功實(shí)現(xiàn)了二極管抽運(yùn)Er:CaF2單晶光纖的中紅外脈沖激光輸出. 在2.8 μm 波長(zhǎng)附近, 獲得了穩(wěn)定的被動(dòng)調(diào)Q脈沖激光運(yùn)轉(zhuǎn), 最窄脈沖寬度為607 ns, 最高重復(fù)頻率為58.51 kHz, 對(duì)應(yīng)的單脈沖能量和峰值功率分別為3.25 μJ 和5.35 W.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與裝置

如圖1 所示, 設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)緊湊的凹平直線諧振腔, 開(kāi)展了Bi-NSs 作為可飽和吸收體的Er:CaF2單晶光纖被動(dòng)調(diào)Q脈沖激光特性研究. 抽運(yùn)源是光纖耦合的半導(dǎo)體激光器, 光纖芯徑105 μm, 數(shù)值孔徑為0.22, 其中心發(fā)射波長(zhǎng)為976 nm. 抽運(yùn)光通過(guò)一個(gè)耦合比為1∶2 的耦合準(zhǔn)直系統(tǒng)后聚焦到增益介質(zhì)前端. 增益介質(zhì)是采用溫度梯度法[36]生長(zhǎng)的4 at.% Er:CaF2單晶光纖, 其兩端拋光但未鍍膜, 直徑為1.9 mm, 長(zhǎng)度為10 mm. 為減少熱效應(yīng), 單晶光纖用銦箔緊密包裹后安裝在恒溫設(shè)定12 ℃的銅塊上. 輸入鏡為曲率100 mm 的平凹透鏡, 鍍有974 nm 抗反膜和2.9 μm 高反膜. 輸出鏡為不同透過(guò)率的平鏡, 對(duì)2.7—2.95 μm 波段激光的透過(guò)率分別為1%, 3%和5%. 腔長(zhǎng)26 mm.可飽和吸收體Bi-NSs 的制備方法和形貌特征在我們之前的工作中做了詳細(xì)的介紹[34]. 以實(shí)驗(yàn)室自主搭建的2.8 μm 納秒激光(50 kHz, 50 ns)為光源, 采用開(kāi)孔Z 掃描方法研究了Bi-NSs 可飽和吸收體的非線性光學(xué)特性. 測(cè)得Bi-NSs 在2.8 μm 附近的調(diào)制深度和飽和通量分別為1.82%和3.59 kW/cm2[34].

圖1 Er:CaF2 單晶光纖連續(xù)激光和Bi-NSs 被 動(dòng) 調(diào)Q 激光裝置圖Fig. 1. Schematic of Er:CaF2 single-crystal fiber continuous laser and Bi-NSs passively Q-switched laser.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 中紅外單晶光纖的連續(xù)激光特性

首先研究了Er:CaF2單晶光纖的連續(xù)激光特性. Er:CaF2單晶光纖對(duì)976 nm 抽運(yùn)光的吸收率為77.3%. 激光輸出功率隨吸收抽運(yùn)功率的變化如圖2 所示. 輸出鏡的透過(guò)率分別選用T= 1%,T=3%和T= 5%時(shí), 對(duì)應(yīng)的吸收抽運(yùn)閾值功率分別為0.12 W, 0.18 W 和0.34 W. 當(dāng)選用T= 3%的輸出鏡, 吸收抽運(yùn)功率約為3.1 W 時(shí), 獲得Er:CaF2單晶光纖的最大輸出激光功率為0.94 W, 激光斜效率為32.0%. 連續(xù)激光的光譜如圖3 所示, 使用1%, 3%和5%透過(guò)率的輸出鏡, 獲得的激光波長(zhǎng)分別為2797.38 nm, 2751.65 nm 和2758.90 nm.

圖2 連續(xù)激光輸出功率隨吸收抽運(yùn)功率的變化Fig. 2. Continuous-wave (CW) output power versus the absorbed pump power.

圖3 Er:CaF2 單晶光纖連續(xù)激光光譜Fig. 3. Spectra of Er:CaF2 single-crystal fiber continuous laser.

3.2 Bi-NSs 可飽和吸收被動(dòng)調(diào)Q 中紅外激光特性

將Bi-NSs 作為可飽和吸收體插入諧振腔中,距離輸出耦合鏡約2 mm 處, 仔細(xì)微調(diào)吸收體的位置和角度獲得被動(dòng)調(diào)Q中紅外脈沖激光輸出. 當(dāng)吸收抽運(yùn)功率達(dá)到約0.5 W 時(shí), 調(diào)Q激光的脈沖重復(fù)頻率穩(wěn)定、脈沖序列均勻. 在采用不同透過(guò)率的輸出鏡下, 平均輸出功率隨吸收抽運(yùn)功率的變化如圖4 所示. 使用3%透過(guò)率的輸出鏡, 在吸收抽運(yùn)功率1.52 W 時(shí)獲得調(diào)Q激光最大平均輸出功率為190 mW, 對(duì)應(yīng)的斜效率為14.8%. 通過(guò)優(yōu)化制冷系統(tǒng)和鏡面鍍膜工藝, 有望獲得更高的輸出功率和激光斜效率.

圖4 調(diào)Q 激光平均輸出功率隨吸收抽運(yùn)功率的變化Fig. 4. Q-switched output power versus the absorbed pump power.

圖5(a)—(d)詳細(xì)描述了在不同透過(guò)率的輸出鏡下, 調(diào)Q脈沖激光的脈沖寬度、重復(fù)頻率、單脈沖能量、峰值功率隨吸收抽運(yùn)光功率的變化. 脈沖寬度隨著抽運(yùn)功率的增大逐漸減小, 重復(fù)頻率、單脈沖能量和峰值功率隨著抽運(yùn)功率的增大不斷增大. 在三種輸出鏡透過(guò)率下, 吸收抽運(yùn)功率1.52 W時(shí)獲得的最大輸出功率、最窄脈沖寬度、最高重復(fù)頻率、最大單脈沖能量以及最高峰值功率如表1 所列. 根據(jù)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知, 在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,輸出鏡的最佳透過(guò)率為3%.

圖5 Er:CaF2 單晶光纖Bi-NSs 被動(dòng)調(diào)Q 激光(a)脈沖寬度、(b)重復(fù)頻率、(c)單脈沖能量、(d)峰值功率隨吸收抽運(yùn)光的變化Fig. 5. (a) Pulse duration, (b) repetition rate, (c) single pulse energy, and (d) peak power versus the absorbed pump power.

表1 吸收抽運(yùn)功率1.52 W 時(shí), 不同透過(guò)率下的調(diào)Q 激光特性Table 1. Q-switched laser characteristics at the absorption pump power of 1.52 W.

使用透過(guò)率為3%的輸出鏡, 在平均輸出功率最大時(shí)用示波器(Tektronix DPO4104, 1 GHz 帶寬)記錄的不同時(shí)間尺度下的調(diào)Q脈沖序列如圖6所示. 吸收抽運(yùn)功率為1.52 W 時(shí), 在1 ms/div 刻度下記錄重復(fù)率為58.51 kHz, 脈沖寬度為607 ns,與2 μs/div 刻度下記錄的單脈沖時(shí)間分布圖相吻合.

圖6 Er:CaF2 單晶光纖Bi-NSs 被動(dòng)調(diào)Q 激光脈沖序列Fig. 6. Bi-NSs Q-switched pulse trains of Er:CaF2 singlecrystal fiber laser.

表2 總結(jié)了Er 摻雜氟化物晶體作為增益介質(zhì)的調(diào)Q脈沖激光與本文工作的比較. 可以看出,Bi-NSs 作為可飽和吸收體與Er:CaF2單晶光纖作為增益介質(zhì)相結(jié)合的調(diào)Q脈沖激光器, 可以獲得更短的脈沖寬度、較高的輸出功率和重復(fù)頻率. 隨著單晶光纖材料生長(zhǎng)和Bi-NSs 制備技術(shù)的發(fā)展,相信進(jìn)一步優(yōu)化的中紅外單晶光纖脈沖激光器將獲得更加優(yōu)異的性能參數(shù).

4 結(jié) 論

本文報(bào)道了Bi-NSs 作為可飽和吸收體的二極管抽運(yùn)Er:CaF2單晶光纖中紅外被動(dòng)調(diào)Q脈沖激光器. 采用溫度梯度法生長(zhǎng)的Er:CaF2單晶光纖作為增益介質(zhì), 實(shí)現(xiàn)近瓦級(jí)中紅外連續(xù)激光輸出. 將超聲波法制備的Bi-NSs 作為可飽和吸收體用于Er:CaF2單晶光纖中紅外調(diào)Q脈沖激光器中. 在吸收抽運(yùn)功率為1.52 W 時(shí), 獲得平均輸出功率為190 mW 的被動(dòng)調(diào)Q激光輸出, 最窄脈沖寬度為607 ns, 重復(fù)頻率為58.51 kHz, 對(duì)應(yīng)的單脈沖能量和峰值功率分別為3.25 μJ 和5.35 W. 結(jié)果表明,Er:CaF2單晶光纖具有優(yōu)異的中紅外激光性能, 同時(shí)Bi-NSs 是一種很有前途的中紅外脈沖激光調(diào)制材料, 在超快光子學(xué)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力.