搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于铋纳米片可饱和吸收被动调Q中红外单晶光纤激光器

郝倩倩 宗梦雨 张振 黄浩 张峰 刘杰 刘丹华 苏良碧 张晗

基于铋纳米片可饱和吸收被动调Q中红外单晶光纤激光器

郝倩倩, 宗梦雨, 张振, 黄浩, 张峰, 刘杰, 刘丹华, 苏良碧, 张晗
PDF
HTML
导出引用
  • 铋纳米片作为一种新型二维材料, 具有合适的带隙、较高的载流子迁移率和较好的室温稳定性, 加上优异的电学和光学特性, 是实现中红外脉冲激光的有效调制器件. 中红外单晶光纤兼备晶体和光纤的优势, 是实现高功率激光的首选增益介质. 本文采用超声波法成功制备了铋纳米片可饱和吸收体, 并首次将其用于二极管抽运Er:CaF2单晶光纤中红外被动调Q脉冲激光器中. 在吸收抽运功率为1.52 W时, 获得平均输出功率为190 mW的脉冲激光, 最窄脉冲宽度为607 ns, 重复频率为58.51 kHz, 对应的单脉冲能量和峰值功率分别为3.25 μJ和5.35 W. 结果表明, 使用铋纳米片作为可饱和吸收体, 是实现结构紧凑的小型中红外单晶光纤脉冲激光的有效技术途径.
      通信作者: 刘杰, jieliu@sdnu.edu.cn ; 刘丹华, liudanhua@sdnu.edu.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11974220, 61635012, 61675135)资助的课题
    [1]

    Uehara H, Tokita S, Kawanaka J, Konishi D, Murakami M, Yasuhara R 2019 App. Phys. Express 12 022002

    [2]

    Sun Y, Tu C, You Z, Liao J, Wang Y, Xu J 2018 Opt. Mater. Express 8 165

    [3]

    Yang Y, Nie H, Zhang B, Yang K, Zhang P, Sun X, Yan B, Li G, Wang Y, Liu J, Shi B, Wang R, Hang Y, He J 2018 App. Phys. Express 11 112704

    [4]

    Yan Z, Li T, Zhao S, Yang K, Li D, Li G, Zhang S, Gao Z 2018 Opt. Laser Technol. 100 261

    [5]

    Guan X, Wang J, Zhang Y, Xu B, Luo Z, Xu H, Cai Z, Xu X, Zhang J, Xu J 2018 Photonics Res. 6 830

    [6]

    Fan M, Li T, Zhao S, Li G, Ma H, Gao X, Kränkel C, Huber G 2016 Opt. Lett. 41 540

    [7]

    Burrus C A, Stone J 1975 Appl. Phys. Lett. 26 318

    [8]

    de Camargo A S S, Andreeta M R B, Hernandes A C, Nunes L A O 2006 Opt. Mater. 28 551

    [9]

    Markovic V, Rohrbacher A, Hofmann P, Pallmann W, Pierrot S, Resan B 2015 Opt. Express 23 25883

    [10]

    Li Y, Miller K, Johnson E G, Nie C D, Bera S, Harrington J A, Shori R 2016 Opt. Express 24 9751

    [11]

    Wang S, Tang F, Liu J, Qian X, Wu Q, Wu A, Liu J, Mei B, Su L 2019 Opt. Mater. 95 109255

    [12]

    Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, Jiang D, Zhang Y, Dubonos S V, Grigorieva I V, Firsov A A 2004 Science 306 666

    [13]

    Sun Z, Martinez A, Wang F 2016 Nat. Photonics 10 227

    [14]

    Wang J, Mu X, Sun M, Mu T 2019 Appl. Mater. Today 16 1

    [15]

    孙锐, 陈晨, 令维军, 张亚妮, 康翠萍, 许强 2019 物理学报 68 104207

    Sun R, Chen C, Ling W J, Zhang Y N, Kang C P, Xu Q 2019 Acta Phys. Sin. 68 104207

    [16]

    Sun X, Zhang B, Li Y, Luo X, Li G, Chen Y, Zhang C, He J 2018 ACS Nano 12 11376

    [17]

    Zhang Y, Yu H, Zhang R, Zhao G, Zhang H, Chen Y, Mei L, Tonelli M, Wang J 2017 Opt. Lett. 42 547

    [18]

    Yan B, Zhang B, Nie H, Li G, Sun X, Wang Y, Liu J, Shi B, Liu S, He J 2018 Nanoscale 10 20171

    [19]

    Hu Q, Zhang X, Liu Z, Li P, Li M, Cong Z, Qin Z, Chen X 2019 Opt. Laser Technol. 119 105639

    [20]

    Zhang M, Wu Q, Zhang F, Chen L, Jin X, Hu Y, Zheng Z, Zhang H 2019 Adv. Opt. Mater. 7 1800224

    [21]

    Xu Y, Shi Z, Shi X, Zhang K, Zhang H 2019 Nanoscale 11 14491

    [22]

    Li C, Liu J, Guo Z, Zhang H, Ma W, Wang J, Xu X, Su L 2018 Opt. Commun. 406 158

    [23]

    Liu J, Liu J, Guo Z, Zhang H, Ma W, Wang J, Su L 2016 Opt. Express 24 30289

    [24]

    Liu X, Yang K, Zhao S, Li T, Qiao W, Zhang H, Zhang B, He J, Bian J, Zheng L, Su L, Xu J 2017 Photonics Res. 5 461

    [25]

    Wang Y, Sung W, Su X, Zhao Y, Zhang B, Wu C, He G, Lin Y, Liu H, He J, Lee C 2018 IEEE Photonics J. 10 1504110

    [26]

    王聪, 刘杰, 张晗 2019 物理学报 68 188101

    Wang C, Liu J, Zhang H 2019 Acta Phys. Sin. 68 188101

    [27]

    Li Z, Li R, Pang C, Dong N, Wang J, Yu H, Chen F 2019 Opt. Express 27 8727

    [28]

    Liu W, Liu M, Chen X, Shen T, Lei M, Guo J, Deng H, Zhang W, Dai C, Zhang X, Wei Z 2020 Commun. Phys. 3 15

    [29]

    Hao Q, Liu J, Zhang Z, Zhang B, Zhang F, Yang J, Liu J, Su L, Zhang H 2019 Appl. Phys. Express 12 085506

    [30]

    Nie H, Zhang P, Zhang B, Yang K, Zhang L, Li T, Zhang S, Xu J, Hang Y, He J 2017 Opt. Lett. 42 699

    [31]

    Yang Q, Zhang F, Zhang N, Zhang H 2019 Opt. Mater. Express 9 1795

    [32]

    Feng X, Lin Y, Yu X, Wu Q, Huang H, Zhang F, Ning T, Liu J, Su L, Zhang H 2019 Appl. Opt. 58 6545

    [33]

    Lu L, Liang Z, Wu L, Chen Y, Song Y, Dhanabalan S C, Ponraj J S, Dong B, Xiang Y, Xing F, Fan D, Zhang H 2018 Laser Photon. Rev. 12 1870012

    [34]

    Liu J, Huang H, Zhang F, Zhang Z, Liu J, Zhang H, Su L 2018 Photonics Res. 6 762

    [35]

    Feng X, Hao Q, Lin Y, Yu X, Wu Q, Huang H, Zhang F, Liu J, Su L, Zhang H 2020 Opt. Laser Technol. 127 106152

    [36]

    Wang Y, Wang S, Wang J, Zhang Z, Zhang Z, Liu R, Zu Y, Liu J, Su L 2020 Opt. Express 28 6684

    [37]

    Li C, Liu J, Jiang S, Xu S, Ma W, Wang J, Xu X, Su L 2016 Opt. Mater. Express 6 1570

  • 图 1  Er:CaF2单晶光纤连续激光和Bi-NSs被动调Q激光装置图

    Fig. 1.  Schematic of Er:CaF2 single-crystal fiber continuous laser and Bi-NSs passively Q-switched laser.

    图 2  连续激光输出功率随吸收抽运功率的变化

    Fig. 2.  Continuous-wave (CW) output power versus the absorbed pump power.

    图 3  Er:CaF2单晶光纤连续激光光谱

    Fig. 3.  Spectra of Er:CaF2 single-crystal fiber continuous laser.

    图 4  Q激光平均输出功率随吸收抽运功率的变化

    Fig. 4.  Q-switched output power versus the absorbed pump power.

    图 5  Er:CaF2单晶光纤Bi-NSs被动调Q激光(a)脉冲宽度、(b)重复频率、(c)单脉冲能量、(d)峰值功率随吸收抽运光的变化

    Fig. 5.  (a) Pulse duration, (b) repetition rate, (c) single pulse energy, and (d) peak power versus the absorbed pump power.

    图 6  Er:CaF2单晶光纤Bi-NSs被动调Q激光脉冲序列

    Fig. 6.  Bi-NSs Q-switched pulse trains of Er:CaF2 single-crystal fiber laser.

    表 1  吸收抽运功率1.52 W时, 不同透过率下的调Q激光特性

    Table 1.  Q-switched laser characteristics at the absorption pump power of 1.52 W

    透过
    最大输出
    功率/mW
    脉冲宽度/ns重复频率/kHz单脉冲
    能量/μJ
    峰值功率/W
    1%12065055.362.163.33
    3%19060758.513.255.35
    5%8187836.542.222.53
    下载: 导出CSV

    表 2  掺铒氟化物中红外被动调Q激光特性比较

    Table 2.  Comparison of Er-doped mid-infrared passively Q-switched laser

    增益介质吸收体脉冲宽度/ns最大输出功率/mW重复频率/kHz文献
    Er:CaF2晶体Graphene132417262.7 [37]
    Er:CaF2晶体Black phosphorus954.817841.93[22]
    Er:CaF2-SrF2晶体Ti3C2Tx81428645.3[29]
    Er:SrF2晶体Bi-NSs98022656.20[34]
    Er:CaF2单晶光纤Bi-NSs60719058.51本文工作
    下载: 导出CSV
  • [1]

    Uehara H, Tokita S, Kawanaka J, Konishi D, Murakami M, Yasuhara R 2019 App. Phys. Express 12 022002

    [2]

    Sun Y, Tu C, You Z, Liao J, Wang Y, Xu J 2018 Opt. Mater. Express 8 165

    [3]

    Yang Y, Nie H, Zhang B, Yang K, Zhang P, Sun X, Yan B, Li G, Wang Y, Liu J, Shi B, Wang R, Hang Y, He J 2018 App. Phys. Express 11 112704

    [4]

    Yan Z, Li T, Zhao S, Yang K, Li D, Li G, Zhang S, Gao Z 2018 Opt. Laser Technol. 100 261

    [5]

    Guan X, Wang J, Zhang Y, Xu B, Luo Z, Xu H, Cai Z, Xu X, Zhang J, Xu J 2018 Photonics Res. 6 830

    [6]

    Fan M, Li T, Zhao S, Li G, Ma H, Gao X, Kränkel C, Huber G 2016 Opt. Lett. 41 540

    [7]

    Burrus C A, Stone J 1975 Appl. Phys. Lett. 26 318

    [8]

    de Camargo A S S, Andreeta M R B, Hernandes A C, Nunes L A O 2006 Opt. Mater. 28 551

    [9]

    Markovic V, Rohrbacher A, Hofmann P, Pallmann W, Pierrot S, Resan B 2015 Opt. Express 23 25883

    [10]

    Li Y, Miller K, Johnson E G, Nie C D, Bera S, Harrington J A, Shori R 2016 Opt. Express 24 9751

    [11]

    Wang S, Tang F, Liu J, Qian X, Wu Q, Wu A, Liu J, Mei B, Su L 2019 Opt. Mater. 95 109255

    [12]

    Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, Jiang D, Zhang Y, Dubonos S V, Grigorieva I V, Firsov A A 2004 Science 306 666

    [13]

    Sun Z, Martinez A, Wang F 2016 Nat. Photonics 10 227

    [14]

    Wang J, Mu X, Sun M, Mu T 2019 Appl. Mater. Today 16 1

    [15]

    孙锐, 陈晨, 令维军, 张亚妮, 康翠萍, 许强 2019 物理学报 68 104207

    Sun R, Chen C, Ling W J, Zhang Y N, Kang C P, Xu Q 2019 Acta Phys. Sin. 68 104207

    [16]

    Sun X, Zhang B, Li Y, Luo X, Li G, Chen Y, Zhang C, He J 2018 ACS Nano 12 11376

    [17]

    Zhang Y, Yu H, Zhang R, Zhao G, Zhang H, Chen Y, Mei L, Tonelli M, Wang J 2017 Opt. Lett. 42 547

    [18]

    Yan B, Zhang B, Nie H, Li G, Sun X, Wang Y, Liu J, Shi B, Liu S, He J 2018 Nanoscale 10 20171

    [19]

    Hu Q, Zhang X, Liu Z, Li P, Li M, Cong Z, Qin Z, Chen X 2019 Opt. Laser Technol. 119 105639

    [20]

    Zhang M, Wu Q, Zhang F, Chen L, Jin X, Hu Y, Zheng Z, Zhang H 2019 Adv. Opt. Mater. 7 1800224

    [21]

    Xu Y, Shi Z, Shi X, Zhang K, Zhang H 2019 Nanoscale 11 14491

    [22]

    Li C, Liu J, Guo Z, Zhang H, Ma W, Wang J, Xu X, Su L 2018 Opt. Commun. 406 158

    [23]

    Liu J, Liu J, Guo Z, Zhang H, Ma W, Wang J, Su L 2016 Opt. Express 24 30289

    [24]

    Liu X, Yang K, Zhao S, Li T, Qiao W, Zhang H, Zhang B, He J, Bian J, Zheng L, Su L, Xu J 2017 Photonics Res. 5 461

    [25]

    Wang Y, Sung W, Su X, Zhao Y, Zhang B, Wu C, He G, Lin Y, Liu H, He J, Lee C 2018 IEEE Photonics J. 10 1504110

    [26]

    王聪, 刘杰, 张晗 2019 物理学报 68 188101

    Wang C, Liu J, Zhang H 2019 Acta Phys. Sin. 68 188101

    [27]

    Li Z, Li R, Pang C, Dong N, Wang J, Yu H, Chen F 2019 Opt. Express 27 8727

    [28]

    Liu W, Liu M, Chen X, Shen T, Lei M, Guo J, Deng H, Zhang W, Dai C, Zhang X, Wei Z 2020 Commun. Phys. 3 15

    [29]

    Hao Q, Liu J, Zhang Z, Zhang B, Zhang F, Yang J, Liu J, Su L, Zhang H 2019 Appl. Phys. Express 12 085506

    [30]

    Nie H, Zhang P, Zhang B, Yang K, Zhang L, Li T, Zhang S, Xu J, Hang Y, He J 2017 Opt. Lett. 42 699

    [31]

    Yang Q, Zhang F, Zhang N, Zhang H 2019 Opt. Mater. Express 9 1795

    [32]

    Feng X, Lin Y, Yu X, Wu Q, Huang H, Zhang F, Ning T, Liu J, Su L, Zhang H 2019 Appl. Opt. 58 6545

    [33]

    Lu L, Liang Z, Wu L, Chen Y, Song Y, Dhanabalan S C, Ponraj J S, Dong B, Xiang Y, Xing F, Fan D, Zhang H 2018 Laser Photon. Rev. 12 1870012

    [34]

    Liu J, Huang H, Zhang F, Zhang Z, Liu J, Zhang H, Su L 2018 Photonics Res. 6 762

    [35]

    Feng X, Hao Q, Lin Y, Yu X, Wu Q, Huang H, Zhang F, Liu J, Su L, Zhang H 2020 Opt. Laser Technol. 127 106152

    [36]

    Wang Y, Wang S, Wang J, Zhang Z, Zhang Z, Liu R, Zu Y, Liu J, Su L 2020 Opt. Express 28 6684

    [37]

    Li C, Liu J, Jiang S, Xu S, Ma W, Wang J, Xu X, Su L 2016 Opt. Mater. Express 6 1570

  • [1] 张倩, 金鑫鑫, 张梦, 郑铮. 基于二维纳米材料可饱和吸收体的中红外超快光纤激光器. 物理学报, 2020, 69(18): 188101. doi: 10.7498/aps.69.20200472
    [2] 胡博, 吴越豪, 郑雨璐, 戴世勋. 2 μm波段硫系玻璃微球激光器的制备和表征. 物理学报, 2019, 68(6): 064209. doi: 10.7498/aps.68.20181817
    [3] 王勇刚, 马骁宇, 付圣贵, 范万德, 李 强, 袁树忠, 董孝义, 宋晏蓉, 张志刚. 离子注入GaAs实现双包层掺镱光纤激光器被动调Q锁模. 物理学报, 2004, 53(6): 1810-1814. doi: 10.7498/aps.53.1810
    [4] 吴朝晖, 宋 峰, 刘淑静, 蔡 虹, 苏 静, 田建国, 张光寅. LD抽运Er3+,Yb3+共掺磷酸盐玻璃被动调Q激光器的理论分析和数值计算. 物理学报, 2006, 55(9): 4659-4664. doi: 10.7498/aps.55.4659
    [5] 任广军, 魏臻, 姚建铨. 调Q脉冲保偏光纤激光器的研究. 物理学报, 2009, 58(2): 941-945. doi: 10.7498/aps.58.941
    [6] 张秋琳, 苏红新, 孙 江, 郭庆林, 付广生. LD抽运被动调Q固体激光器的脉冲稳定性. 物理学报, 2007, 56(10): 5818-5820. doi: 10.7498/aps.56.5818
    [7] 刘杨, 刘兆军, 丛振华, 徐晓东, 徐军, 门少杰, 夏金宝, 张飒飒. Nd:LuYAG混晶1123 nm被动调Q激光器. 物理学报, 2015, 64(17): 174203. doi: 10.7498/aps.64.174203
    [8] 柳强, 巩马理, 闫平, 贾维溥, 崔瑞祯, 王东生. GaAs被动调Q兼输出耦合Nd∶YVO4激光特性研究. 物理学报, 2002, 51(12): 2756-2760. doi: 10.7498/aps.51.2756
    [9] 赵宏明, 楼祺洪, 周 军, 董景星, 魏运荣, 王之江. 不同腔结构下的声光调Q双包层光纤激光器特性研究. 物理学报, 2008, 57(6): 3525-3530. doi: 10.7498/aps.57.3525
    [10] 杨 林, 黄维玲, 丘军林, 冯宝华, 张治国, Volker Gaebler, Baining Liu, Hans J.Eichler. Cr4+:YAG被动调Q激光器中受激粒子上转换效应对脉冲的影响研究. 物理学报, 2003, 52(10): 2471-2475. doi: 10.7498/aps.52.2471
    [11] 黄琳, 代志勇, 刘永智. 不同脉冲重复频率下抽运方式对全光纤声光调Q激光器性能的影响. 物理学报, 2009, 58(10): 6992-6999. doi: 10.7498/aps.58.6992
    [12] 令维军, 夏涛, 董忠, 刘勍, 路飞平, 王勇刚. 基于WS2可饱和吸收体的调Q锁模Tm,Ho:LLF激光器. 物理学报, 2017, 66(11): 114207. doi: 10.7498/aps.66.114207
    [13] 柴 路, 颜 石, 薛迎红, 刘庆文, 王清月, 苏良碧, 徐晓东, 赵广军, 徐 军. 共掺Na+的Yb3+∶CaF2晶体的荧光分析与低阈值激光运转. 物理学报, 2007, 56(6): 3553-3558. doi: 10.7498/aps.56.3553
    [14] 唐熊忻, 邱基斯, 樊仲维, 王昊成, 刘悦亮, 刘昊, 苏良碧. 用于惯性约束核聚变激光驱动器的激光二极管抽运Nd,Y:CaF2激光放大器的实验研究. 物理学报, 2016, 65(20): 204206. doi: 10.7498/aps.65.204206
    [15] 柳祝平, 唐景平, 胡丽丽, 姜中宏. Cr3+,Yb3+,Er3+共掺磷酸盐铒玻璃转镜调Q激光性质研究. 物理学报, 2005, 54(9): 4422-4426. doi: 10.7498/aps.54.4422
    [16] 令维军, 夏涛, 董忠, 左银艳, 李可, 刘勍, 路飞平, 赵小龙, 王勇刚. 基于单壁碳纳米管调Q锁模低阈值Tm,Ho:LiLuF4激光器. 物理学报, 2018, 67(1): 014201. doi: 10.7498/aps.67.20171748
    [17] 蒋建, 常建华, 冯素娟, 毛庆和. 基于光纤激光器的中红外差频多波长激光产生. 物理学报, 2010, 59(11): 7892-7898. doi: 10.7498/aps.59.7892
    [18] 薄 勇, 耿爱丛, 毕 勇, 孙志培, 杨晓东, 李瑞宁, 崔大复, 许祖彦. 高平均功率调Q准连续Nd:YAG激光器. 物理学报, 2006, 55(3): 1171-1175. doi: 10.7498/aps.55.1171
    [19] 李福利. 快开关调Q的四能级激光器的动力学. 物理学报, 1978, 27(2): 137-145. doi: 10.7498/aps.27.137
    [20] 张玉萍, 张会云, 钟凯, 王鹏, 李喜福, 姚建铨. 高效高稳定高光束质量声光调Q绿光激光器的研究. 物理学报, 2009, 58(5): 3193-3197. doi: 10.7498/aps.58.3193
  • 引用本文:
    Citation:
计量
  • 文章访问数:  740
  • PDF下载量:  141
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-05
  • 修回日期:  2020-03-14
  • 上网日期:  2020-03-23
  • 刊出日期:  2020-09-20

基于铋纳米片可饱和吸收被动调Q中红外单晶光纤激光器

  • 1. 山东师范大学物理与电子科学学院, 山东省光场调控中心, 山东省光学与光子器件重点实验室, 济南 250358
  • 2. 山东师范大学, 光场调控与应用协同创新中心, 济南 250358
  • 3. 中国科学院上海硅酸盐研究所人工晶体研究中心, 中国科学院透明光功能无机材料重点实验室, 上海 201899
  • 4. 深圳大学物理与光电工程学院, 深圳 518060
  • 通信作者: 刘杰, jieliu@sdnu.edu.cn ; 刘丹华, liudanhua@sdnu.edu.cn
    基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11974220, 61635012, 61675135)资助的课题

摘要: 铋纳米片作为一种新型二维材料, 具有合适的带隙、较高的载流子迁移率和较好的室温稳定性, 加上优异的电学和光学特性, 是实现中红外脉冲激光的有效调制器件. 中红外单晶光纤兼备晶体和光纤的优势, 是实现高功率激光的首选增益介质. 本文采用超声波法成功制备了铋纳米片可饱和吸收体, 并首次将其用于二极管抽运Er:CaF2单晶光纤中红外被动调Q脉冲激光器中. 在吸收抽运功率为1.52 W时, 获得平均输出功率为190 mW的脉冲激光, 最窄脉冲宽度为607 ns, 重复频率为58.51 kHz, 对应的单脉冲能量和峰值功率分别为3.25 μJ和5.35 W. 结果表明, 使用铋纳米片作为可饱和吸收体, 是实现结构紧凑的小型中红外单晶光纤脉冲激光的有效技术途径.

English Abstract

    • 中红外脉冲激光在生物医学、环境监测、空间探测和非线性光谱学等领域有着广泛应用, 是当前激光研究领域的热点[1,2]. 在中红外波段, Tm3+, Ho3+和Er3+是产生2—5 μm波段激光的常见稀土离子[3,4]. Er3+能级结构丰富, 在4I11/24I13/2态之间跃迁产生的辐射波长位于2.7—3 μm范围内[5]. 半导体激光器直接抽运的掺铒全固态激光器具有成本低、结构紧凑等优点[6], 在中红外波段颇具竞争力. 单晶光纤作为一种新型激光材料具有热导率高、非线性效应小、掺杂浓度高等优势, 加上体积小、重量轻、抽运导向好等优点而受到广泛关注[7,8], 上述优点使得单晶光纤产生激光的性能优于对应的块状晶体. 另外, 单晶光纤是介于块状单晶和玻璃光纤之间的中间材料. 与玻璃光纤相比, 单晶光纤具有较低的受激布里渊散射截面和较高的热导率, 另外利用单晶光纤缩短激光谐振腔长度可以增大激光腔模, 这意味着单晶光纤激光器可以获得更高的功率[9,10]. 基于这些优点, Er掺杂单晶光纤是一种很有前途的中红外激光材料. 2019年, 使用温度梯度技术生长的Er:SrF2单晶光纤实现了连续激光运转, 输出激光最高功率为860 mW, 对应的斜率效率为34.9%[11]. 据我们所知, 目前还没有基于Er掺杂单晶光纤的脉冲激光报道.

      Q技术是获得脉冲激光的重要技术手段. 与主动调Q相比, 被动调Q具有结构简单、结构紧凑、价格低廉、性能可靠等优点. 近年来, 石墨烯[12-15]、过渡金属硫化物[16-19]、黑磷[20-23]、拓扑绝缘体[24,25]等二维材料以其恢复时间快、调制深度可控、制作方便、吸收带宽宽等特点, 在非线性光学领域引起了广泛关注[26-28]. 随着二维材料生长制备技术的不断发展, 二维材料作为可饱和吸收体被越来越多地应用到被动调Q激光器中[29-31]. 铋纳米片(bismuth nanosheets: Bi-NSs)作为一种新型的二维材料具有独特的光电特性, 加上合适的带隙、较高的载流子迁移率、较高的损伤阈值和良好的稳定性, 使Bi-NSs可作为性能优越的可饱和吸收体[32]. 2018年Lu等[33]在1559 nm光纤激光器中首次证明了Bi-NSs的饱和吸收特性. 近期本课题组又利用Bi-NSs作为可饱和吸收体, 在固体激光器中实现了被动调Q脉冲激光运转[32,34,35]. 但据我们所知, 目前Bi-NSs在中红外单晶光纤激光器中的应用还未见报道.

      本文首次将Bi-NSs作为可饱和吸收体用于单晶光纤激光器中, 成功实现了二极管抽运Er:CaF2单晶光纤的中红外脉冲激光输出. 在2.8 μm波长附近, 获得了稳定的被动调Q脉冲激光运转, 最窄脉冲宽度为607 ns, 最高重复频率为58.51 kHz, 对应的单脉冲能量和峰值功率分别为3.25 μJ和5.35 W.

    • 图1所示, 设计了结构紧凑的凹平直线谐振腔, 开展了Bi-NSs作为可饱和吸收体的Er:CaF2单晶光纤被动调Q脉冲激光特性研究. 抽运源是光纤耦合的半导体激光器, 光纤芯径105 µm, 数值孔径为0.22, 其中心发射波长为976 nm. 抽运光通过一个耦合比为1∶2的耦合准直系统后聚焦到增益介质前端. 增益介质是采用温度梯度法[36]生长的4 at.% Er:CaF2单晶光纤, 其两端抛光但未镀膜, 直径为1.9 mm, 长度为10 mm. 为减少热效应, 单晶光纤用铟箔紧密包裹后安装在恒温设定12 ℃的铜块上. 输入镜为曲率100 mm的平凹透镜, 镀有974 nm抗反膜和2.9 µm高反膜. 输出镜为不同透过率的平镜, 对2.7—2.95 µm波段激光的透过率分别为1%, 3%和5%. 腔长26 mm. 可饱和吸收体Bi-NSs的制备方法和形貌特征在我们之前的工作中做了详细的介绍[34]. 以实验室自主搭建的2.8 μm纳秒激光(50 kHz, 50 ns)为光源, 采用开孔Z扫描方法研究了Bi-NSs可饱和吸收体的非线性光学特性. 测得Bi-NSs在2.8 µm附近的调制深度和饱和通量分别为1.82%和3.59 kW/cm2[34].

      图  1  Er:CaF2单晶光纤连续激光和Bi-NSs被动调Q激光装置图

      Figure 1.  Schematic of Er:CaF2 single-crystal fiber continuous laser and Bi-NSs passively Q-switched laser.

    • 首先研究了Er:CaF2单晶光纤的连续激光特性. Er:CaF2单晶光纤对976 nm抽运光的吸收率为77.3%. 激光输出功率随吸收抽运功率的变化如图2所示. 输出镜的透过率分别选用T = 1%, T = 3%和T = 5%时, 对应的吸收抽运阈值功率分别为0.12 W, 0.18 W和0.34 W. 当选用T = 3%的输出镜, 吸收抽运功率约为3.1 W时, 获得Er:CaF2单晶光纤的最大输出激光功率为0.94 W, 激光斜效率为32.0%. 连续激光的光谱如图3所示, 使用1%, 3%和5%透过率的输出镜, 获得的激光波长分别为2797.38 nm, 2751.65 nm和2758.90 nm.

      图  2  连续激光输出功率随吸收抽运功率的变化

      Figure 2.  Continuous-wave (CW) output power versus the absorbed pump power.

      图  3  Er:CaF2单晶光纤连续激光光谱

      Figure 3.  Spectra of Er:CaF2 single-crystal fiber continuous laser.

    • 将Bi-NSs作为可饱和吸收体插入谐振腔中, 距离输出耦合镜约2 mm处, 仔细微调吸收体的位置和角度获得被动调Q中红外脉冲激光输出. 当吸收抽运功率达到约0.5 W时, 调Q激光的脉冲重复频率稳定、脉冲序列均匀. 在采用不同透过率的输出镜下, 平均输出功率随吸收抽运功率的变化如图4所示. 使用3%透过率的输出镜, 在吸收抽运功率1.52 W时获得调Q激光最大平均输出功率为190 mW, 对应的斜效率为14.8%. 通过优化制冷系统和镜面镀膜工艺, 有望获得更高的输出功率和激光斜效率.

      图  4  调Q激光平均输出功率随吸收抽运功率的变化

      Figure 4.  Q-switched output power versus the absorbed pump power.

      图5(a)(d)详细描述了在不同透过率的输出镜下, 调Q脉冲激光的脉冲宽度、重复频率、单脉冲能量、峰值功率随吸收抽运光功率的变化. 脉冲宽度随着抽运功率的增大逐渐减小, 重复频率、单脉冲能量和峰值功率随着抽运功率的增大不断增大. 在三种输出镜透过率下, 吸收抽运功率1.52 W时获得的最大输出功率、最窄脉冲宽度、最高重复频率、最大单脉冲能量以及最高峰值功率如表1所列. 根据所得实验数据可知, 在相同的实验条件下, 输出镜的最佳透过率为3%.

      透过
      最大输出
      功率/mW
      脉冲宽度/ns重复频率/kHz单脉冲
      能量/μJ
      峰值功率/W
      1%12065055.362.163.33
      3%19060758.513.255.35
      5%8187836.542.222.53

      表 1  吸收抽运功率1.52 W时, 不同透过率下的调Q激光特性

      Table 1.  Q-switched laser characteristics at the absorption pump power of 1.52 W

      图  5  Er:CaF2单晶光纤Bi-NSs被动调Q激光(a)脉冲宽度、(b)重复频率、(c)单脉冲能量、(d)峰值功率随吸收抽运光的变化

      Figure 5.  (a) Pulse duration, (b) repetition rate, (c) single pulse energy, and (d) peak power versus the absorbed pump power.

      使用透过率为3%的输出镜, 在平均输出功率最大时用示波器(Tektronix DPO4104, 1 GHz带宽)记录的不同时间尺度下的调Q脉冲序列如图6所示. 吸收抽运功率为1.52 W时, 在1 ms/div刻度下记录重复率为58.51 kHz, 脉冲宽度为607 ns, 与2 μs/div刻度下记录的单脉冲时间分布图相吻合.

      图  6  Er:CaF2单晶光纤Bi-NSs被动调Q激光脉冲序列

      Figure 6.  Bi-NSs Q-switched pulse trains of Er:CaF2 single-crystal fiber laser.

      表2总结了Er掺杂氟化物晶体作为增益介质的调Q脉冲激光与本文工作的比较. 可以看出, Bi-NSs作为可饱和吸收体与Er:CaF2单晶光纤作为增益介质相结合的调Q脉冲激光器, 可以获得更短的脉冲宽度、较高的输出功率和重复频率. 随着单晶光纤材料生长和Bi-NSs制备技术的发展, 相信进一步优化的中红外单晶光纤脉冲激光器将获得更加优异的性能参数.

      增益介质吸收体脉冲宽度/ns最大输出功率/mW重复频率/kHz文献
      Er:CaF2晶体Graphene132417262.7 [37]
      Er:CaF2晶体Black phosphorus954.817841.93[22]
      Er:CaF2-SrF2晶体Ti3C2Tx81428645.3[29]
      Er:SrF2晶体Bi-NSs98022656.20[34]
      Er:CaF2单晶光纤Bi-NSs60719058.51本文工作

      表 2  掺铒氟化物中红外被动调Q激光特性比较

      Table 2.  Comparison of Er-doped mid-infrared passively Q-switched laser

    • 本文报道了Bi-NSs作为可饱和吸收体的二极管抽运Er:CaF2单晶光纤中红外被动调Q脉冲激光器. 采用温度梯度法生长的Er:CaF2单晶光纤作为增益介质, 实现近瓦级中红外连续激光输出. 将超声波法制备的Bi-NSs作为可饱和吸收体用于Er:CaF2单晶光纤中红外调Q脉冲激光器中. 在吸收抽运功率为1.52 W时, 获得平均输出功率为190 mW的被动调Q激光输出, 最窄脉冲宽度为607 ns, 重复频率为58.51 kHz, 对应的单脉冲能量和峰值功率分别为3.25 μJ和5.35 W. 结果表明, Er:CaF2单晶光纤具有优异的中红外激光性能, 同时Bi-NSs是一种很有前途的中红外脉冲激光调制材料, 在超快光子学领域有很大的应用潜力.

参考文献 (37)

目录

    /

    返回文章
    返回