光学学报, 2020, 40 (13): 1314001, 网络出版: 2020-07-09   

基于二硒化铪可饱和吸收体的被动调Q掺铒光纤激光器的研究 下载: 831次

Passively Q-Switched Erbium-Doped Fiber Laser Based on HfSe2 Saturable Absorber
张凯龙 3,4陈浩伟 1,3,4陆宝乐 1,2,4,**白晋涛 1,2,3,4,*
作者单位
1 西部能源光子技术与功能材料省部共建国家重点实验室, 陕西 西安 710069
2 国家级光电技术与功能材料国际联合研究中心, 陕西 西安 710069
3 陕西省全固态激光及应用工程技术研究中心, 陕西 西安 710069
4 西北大学光子学与光子技术研究院陕西省光电子技术重点实验室, 陕西 西安 710069
摘要
报道了一种采用新型二维材料二硒化铪可饱和吸收体的被动调Q掺铒光纤激光器。通过机械剥离法制备了二硒化铪薄片,将其作为可饱和吸收器件插入掺铒光纤激光器谐振腔内,实现了稳定的调Q脉冲激光输出。在泵浦功率为140 mW时,通过控制偏振控制器调节谐振腔内的偏振状态,获得了中心波长为1532.3 nm,3 dB谱线宽度为0.68 nm的稳定调Q脉冲输出;当泵浦功率增加到360 mW时,脉冲输出的重复频率从42.3 kHz变化到88.2 kHz,脉冲宽度从3.3 μs变化到1.8 μs。实验结果表明,在最大泵浦功率处,光纤激光器输出的最大功率为6.1 mW,单脉冲能量为68.5 nJ。
Abstract
We report a passively Q-switched Er-doped fiber laser based on a new type of two-dimensional material HfSe2 saturable absorber. HfSe2 flake is prepared by the mechanical exfoliation method and inserted into the erbium-doped fiber laser cavity to achieve a stable Q-switched laser pulse output. When the pump power is 140 mW, a stable Q-switched pulse is obtained by rotating the polarization controller, whose stable output has a center wavelength of 1532.3 nm and a 3 dB spectral line width of 0.68 nm. When the pump power increases from 140 mW to 360 mW, the repetition rate of the pulse output increases from 42.3 kHz to 88.2 kHz, and the pulse duration changes from 3.3 μs to 1.8 μs. The experimental results show that the maximum output power of the fiber laser is 6.1 mW and the single pulse energy is 68.5 nJ at the maximum pump power.

1 引言

Q光纤激光器具有光束质量好,结构灵活,成本低和稳定性好等优点[1-4],已经被广泛应用于材料加工处理、光纤通信、雷达和生物医学诊断等领域中[5-8]。调Q技术主要分为主动调Q和被动调Q。被动调Q技术主要依赖于可饱和吸收体(SAs),需要在谐振腔内加入可饱和吸收体来控制腔内损耗从而实现调Q脉冲输出,具有方法简单、操作方便、稳定性好的优点。其中以半导体可饱和吸收镜(SESAMs)[9]的应用最为广泛,但是其价格昂贵、损伤阈值低、制作工艺复杂。石墨烯[10-11]、碳纳米管[12]、黑磷[13]、过渡金属硫化物(TMDs)[14-17]、拓扑绝缘体[18]等具有独特的结构和非线性光学特性,近年来作为可饱和吸收体在激光器中得到了广泛应用。其中,过渡金属硫化物因具有典型的MX2(M为Ti、Hf、Re、Mo、W, X为S、Se) 结构、独特的能带结构和光学性能而得到了极大的关注[19]。TMDs具有典型的三明治层状结构,两层X原子夹着一层M原子,通过范德瓦尔斯力连接在一起,其种类比较丰富。目前,二硫化钨(WS2)[20]、 二硒化钼(MoSe2)[17]、 二硫化钼(MoS2)[21-23]、 二硫化锡(SnS2)[24-25]、二硫化镍(NiS2)[26]、二碲化钨(WTe2)[27]和二硒化钛[28]作为可饱和吸收体已经在激光器1 μm、1.5 μm等波段实现了调Q或者锁模脉冲输出[29]

二硒化铪(HfSe2)作为过渡金属硫化物的一种,具有典型的层状结构,已经吸引了越来越多研究人员的关注,每层HfSe2都是由两层Se原子夹着一层Hf原子组成,原子键的强作用使每层原子连接在一起,而层与层之间通过较弱的范德华力连接,因此比较容易实现少层或者单层的剥离,从而形成2D层。HfSe2能带间隙宽度大约为1.1 eV,属于间接带隙的半导体材料,具有很好的光谱响应宽度和可饱和吸收特性等[22],在超短脉冲光纤激光器中具有广阔的应用前景。

本文主要报道了一种新型二维材料HfSe2-SA的制备及其表征。该材料具有较高的调制深度,损伤阈值高,制作简单。研究了基于HfSe2-SA的被动调Q掺铒光纤激光器,在实验上产生了中心波长为1532.3 nm的稳定的调Q脉冲输出。随着泵浦功率的变化,获得了脉冲重复频率在42.3~88.2 kHz内可调,脉冲宽度为3.3~1.8 μs的稳定的激光脉冲输出。

2 二硒化铪可饱和吸收体的制备及表征

采用机械剥离法制备HfSe2薄片,首先利用Scotch胶带从HfSe2晶体[如图1(a)插图所示]中剥离获得HfSe2薄片,然后将带有HfSe2薄片的胶带和聚二甲硅氧烷(PDMS)膜粘合得到含有HfSe2纳米片的PDMS膜,再将PDMS膜转移至玻璃基底并且固定在三维平移台上。在显微镜下寻找合适大小的HfSe2纳米片,然后将其转移到标准的圆形光纤连接器(FC/UPC)端面上,并与另一个FC/UPC光纤头相连接,形成一个全光纤HfSe2-SA。这种制备SA器件的方法成本低,易操作。为了检验制备的HfSe2薄片的质量,分别采用原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱仪对其进行了研究。图1(a)是使用AFM观察到的HfSe2薄片形貌,并且对制备的HfSe2薄片的厚度进行了测量,其厚度为10~20 nm,测量结果如图1(b)所示。图1(c)为测得的HfSe2的拉曼光谱,其中典型的两个特征峰:A1g峰位于199 cm-1处,Eg位于146 cm-1处。Eg和A1g两个特征峰分别对应平面模式和平面外模式。随着材料厚度的增加,Eg峰的强度逐渐消失,A1g峰的强度逐渐减小。两个特征峰的强度分布与材料的厚度密切相关[30]。为了得到HfSe2的非线性光学特性,采用平衡双臂探测法测得的HfSe2-SA的调制深度ΔT=18%,饱和强度Isat=22.8 MW·cm-2,非饱和损耗Tns=62.2%,如图1(d)所示。

3 实验装置

图2是基于HfSe2-SA的被动调Q掺铒光纤(EDF)激光器的实验装置。采用980 nm带尾纤的半导体激光器(LD)作为泵浦源,然后通过一个980 nm/1550 nm的波分复用器(WDM)将泵浦光耦合进环形腔内,采用0.7 m的掺铒光纤(EDF )作为增益光纤。偏振控制器(PC)用来控制激光腔内的偏振态,偏振无关隔离器(ISO)保证腔内激光的单向传输。腔内的脉冲激光通过分束比为30/70的耦合器进行信号输出(30%能量用于输出,70%能量反馈回激光腔内),器件之间均采用单模光纤连接。法兰盘连接着两端的光纤跳线,将制作的HfSe2薄片转移在跳线端面作为可饱和体器件。实验采用光谱分析仪、示波器和频谱分析仪对脉冲信号进行测量。

图 1. AFM和拉曼光谱仪的测量结果。(a) HfSe2薄片的原子力显微镜图;(b)直线A的高度剖面图;(c) HfSe2的拉曼光谱图;(d) HfSe2可饱和特性吸收曲线

Fig. 1. Measurement results by AFM and Raman spectrometer. (a) AFM image of HfSe2 flake; (b) height profile along straight line A; (c) Raman spectrum of HfSe2; (d) saturable absorption curve of HfSe2

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图 2. 基于HfSe2-SA的被动掺铒光纤激光器装置图

Fig. 2. Setup of passive EDF laser based on HfSe2-SA

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4 分析与讨论

在未接入HfSe2-SA时,通过改变泵浦功率和旋转偏振控制器,均未发现脉冲信号。当HfSe2-SA接入环形腔内时,通过控制PC来调节偏振状态和逐渐增加泵浦功率,当泵浦功率为140 mW时,实验中产生了稳定的调Q脉冲,此时激光器的输出功率为0.68 mW。泵浦功率为180 mW时在示波器上观察到的脉冲序列如图3(a)所示,脉冲重复频率为53.6 kHz,脉冲强度稳定;泵浦功率为180 mW时脉冲宽度为2.82 μs,如图3(b)所示;图3(c)为对应的光纤激光器的光谱,中心波长为1532.3 nm,3 dB带宽为0.68 nm;图3(d)为频谱图,可知激光器的信噪比为39.6 dB,说明此时调Q激光器输出稳定。

图 3. Q激光器的脉冲特性。(a)脉冲序列;(b)脉冲宽度;(c)输出光谱;(d)频谱

Fig. 3. Pulse characteristics of Q-switched fiber laser. (a) Pulse train; (b) pulse duration; (c) output spectrum; (d) frequency spectrum

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为了进一步得到光纤激光器的性能,测量了HfSe2Q光纤激光器的重复频率和脉冲宽度随泵浦功率的变化关系,结果如图4(a)所示。当泵浦功率从140 mW增加到360 mW时,重复频率从42.3 kHz增加到88.2 kHz,与此同时,脉冲宽度从3.3 μs脉冲宽度减少到1.8 μs。重复频率和脉冲宽度的变化规律符合被动调Q激光器的典型特征。随着泵浦功率的增大,平均输出功率从0.68 mW增加到6.04 mW,单脉冲能量从16.2 nJ增加到68.5 nJ,如图4(b)所示。结果表明,输出功率与泵浦功率之间存在线性关系。HfSe2-SA的不饱和损耗和标准器件在环形腔内的插入损耗影响斜率效率。通过减小腔内的插入损耗并优化HfSe2-SA的制备工艺,可以改善其性能。

图 4. 基于HfSe2-SA的光纤激光器性能。(a)脉冲重复频率和脉冲宽度随泵浦功率的变化; (b)输出功率和单脉冲能量随泵浦功率的变化

Fig. 4. Performance of fiber laser based on HfSe2-SA. (a) Repetition rate and pulse duration versus pump power; (b) pulse energy and output power versus pump power

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5 结论

报道了一种基于新型二维材料HfSe2的被动调Q掺铒光纤激光器。采用机械剥离法制备HfSe2薄片并以其为可饱和吸收体,其调制深度为18%,非饱和损耗为62.2%。随着泵浦功率的增加,获得了中心波长为1532.3 nm的脉冲激光输出,且当泵浦功率从140 mW增加到360 mW时,重复频率从42.3 kHz增加到88.2 kHz,脉冲宽度从3.3 μs减少到1.8 μs。调Q脉冲输出的最大功率为6.04 mW,最大单脉冲能量为68.5 nJ。该研究结果扩宽了二维材料的光学调制范围,而且证实了新型二维材料HfSe2可应用于1.5 μm波段脉冲激光器。

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