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

基于纯水可饱和吸收体的1.9 μm波段被动调Q和锁模掺铥光纤激光器

戴川生 董志鹏 林加强 姚培军 许立新 顾春

引用本文:
Citation:

基于纯水可饱和吸收体的1.9 μm波段被动调Q和锁模掺铥光纤激光器

戴川生, 董志鹏, 林加强, 姚培军, 许立新, 顾春

Passively Q-switched and mode-locked 1.9 μm Tm-doped fiber laser based on pure water as saturable absorber

Dai Chuan-Sheng, Dong Zhi-Peng, Lin Jia-Qiang, Yao Pei-Jun, Xu Li-Xin, Gu Chun
PDF
HTML
导出引用
计量
  • 文章访问数:  919
  • PDF下载量:  34
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-18
  • 修回日期:  2022-04-05
  • 上网日期:  2022-08-14
  • 刊出日期:  2022-09-05

基于纯水可饱和吸收体的1.9 μm波段被动调Q和锁模掺铥光纤激光器

  • 1. 中国科学技术大学物理学院, 核探测与核电子学国家重点实验室, 安徽省光电子科学与技术重点实验室, 先进激光技术安徽省实验室, 合肥 230026
  • 2. 厦门大学电子工程系, 厦门 361005
  • 通信作者: 姚培军, yap@ustc.edu.cn
    基金项目: 先进激光技术安徽省实验室主任基金(批准号: 2019122502)资助的课题

摘要: 构建了纯水作为可饱和吸收体的被动调Q和锁模掺铥光纤激光器. 通过陶瓷套管将纯水固定在两个光纤跳线头之间, 调整水层厚度可以分别实现调Q和锁模操作. 调Q状态下的最大输出功率为0.531 mW, 此时的重复频率为53.45 kHz, 脉冲宽度为3.01 μs. 锁模状态下的最大输出功率为2.28 mW, 重复频率为17.69 MHz, 脉冲宽度为1.42 ps. 本文使用纯水作为可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器, 其具有皮秒级的响应时间、低廉的价格和极高的损伤阈值, 可为掺铥全光纤脉冲激光器提供一种新方案.

English Abstract

    • 超短脉冲光纤激光器具有稳定性好、结构紧凑、单脉冲能量高等优点, 近年来工作在1.8—2.1 μm光谱范围内的超短脉冲激光受到了广泛的关注, 其在激光光谱学、生物医学、光通信和传感等领域具有广泛应用[1-7]. 产生脉冲的方法主要有两种: 主动调制和被动调制. 主动调制需要通过外部调制器(声光/电光调制器)来实现, 但这不仅增加了成本, 还降低了系统的便携性; 被动调制只需要在腔内加入一个振幅自调制器件, 不需要任何外部器件. 目前报道的被动调Q和锁模光纤激光器主要是基于非线性偏振演化(nonlinear polarization evolution, NPE)[8-10]以及可饱和吸收体(saturable absorber, SA)实现. 然而, 基于NPE技术的调Q和锁模激光器对腔内偏振变化敏感, 难以应用于成熟的激光产品. 利用SA进行被动调Q和锁模操作被认为是获得脉冲激光的一种方便和低成本的方法. 一个好的SA应该具有较大的调制深度、较高的损伤阈值、超快的恢复时间和宽带可饱和吸收性.

      适用于1.9 μm光谱区域被动调Q和锁模激光器的SA有多种类型, 如半导体饱和吸收镜(semiconductor saturable absorber mirror, SESAM)[11]、石墨烯[12]、碳纳米管[13,14]、黑磷[15]、过渡金属硫化物[16]等. 虽然SESAM的制作工艺已经成熟, 但是其狭窄的工作带宽和昂贵的成本限制了自身的应用. 而石墨烯、碳纳米管、黑磷、过渡金属硫化物等二维材料具有损伤阈值较低的缺点. 最近, 有相关研究报道将纯水作为SA具有损伤阈值高、价格低廉、散热性能好、稳定性高的优点. 2019年, Xian等[17]利用纯水SA实现了被动调Q掺铒光纤激光器. 据我们所知, 目前还没有利用纯水SA实现被动锁模操作的报道, 实际上水分子对于1.80—1.95 μm波段的光具有很强的吸收能力[18,19], 所以本文尝试在这个波段内利用纯水SA实现锁模操作.

      本文实现了一种基于纯水SA的掺铥全光纤脉冲激光器. 通过陶瓷套管将纯水固定在两个螺纹型/物理接触(ferrule contactor/physical contact, FC/PC)光纤跳线头之间, 调整水层厚度可以分别实现调Q和锁模操作. 利用纯水作为SA的材料极大地降低了激光器成本, 且由于水分子的结构非常稳定, 所以纯水SA的稳定性和损伤阈值较高. 本文为掺铥全光纤脉冲激光器提供了一种新方案.

    • 每个水分子具有两个氢氧键, 其能量吸收过程与氢氧键的伸缩振动和弯曲振动有关. 近红外光谱中有5个显著的水的吸收波段, 分别出现在0.76, 0.97, 1.19, 1.45和1.94 μm[18]. 1.45 μm附近的吸收带与氢氧键的伸缩振动有关, 1.94 μm附近的吸收带与氢氧键的弯曲振动有关[17,20,21]. 2.0 μm附近水的吸收光谱如图1所示. 水的频率相关振动能量弛豫时间为1ps [20,21], 远短于增益介质的上能级寿命, 因此纯水可以作为快速SA来实现锁模操作.

      图  1  纯水的吸收光谱

      Figure 1.  Absorption spectrum of pure water.

      实验结构如图2所示, 该环形腔包含1.5 m长的掺铥光纤, 其型号为Nufern SM-TSF-9/125, 由1550 nm连续光激光器通过1550/2000 nm波分复用器进行泵浦. 采用偏振无关隔离器保证激光器的单向工作. 通过插入偏振控制器来调节激光在腔内的偏振状态, 以获得最佳工作状态. 将纯水SA通过陶瓷套管固定在两个FC/PC光纤跳线头之间, 实验中用到的陶瓷套管取自FC/PC光纤连接器, 纯水为纯度99.99%的去离子水. 首先取出一盆纯水, 将陶瓷套管完全浸没在纯水中并去除套管内的空气. 然后将一对光纤跳线头用纯水擦拭后分别插入陶瓷套管的两端, 跳线头之间的间隙充满纯水, 该步骤全程在纯水中操作, 以防止间隙中出现气泡. 轻轻推动跳线头便可以改变间隙的大小从而调节水层的厚度, 因此很容易获得不同调制深度的SA, 这是液体SA的独特优势. 用90∶10的光耦合器从激光腔中耦合出10%的腔内能量作为输出. 环形腔的总长度约为11.31 m, 腔内无源光纤的型号均为Nufern SM-1950, 环形腔总色散处于负色散区域. 利用光谱分析仪(ANDO AQ6317B)和2 GHz射频频谱分析仪(AV4021)分别测量激光器的光谱和射频频谱特性, 时域特性则由4 GHz示波器(Teledyne LeCroy WaveRunner 640Zi)和自相关仪(APE PulseCheck SM250)记录.

      图  2  纯水SA掺铥光纤激光器的实验结构 TDF, 掺铥光纤; WDM, 波分复用器; PI-ISO, 偏振无关隔离器; PC, 偏振控制器; OC, 光耦合器; SA, 可饱和吸收体

      Figure 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.

    • 当泵浦功率提高到152 mW时, 通过改变水层厚度和调节PC可以获得被动调Q脉冲输出, 图3(a)(c)分别是泵浦功率为152, 238, 311 mW时的调Q脉冲序列, 显微镜下测量得到此时的水层厚度大约为0.2 mm. 当泵浦功率增加时, 脉冲的重复频率变高, 这是调Q脉冲的典型特征. 图4给出了泵浦功率为152 mW时的调Q光谱, 其中心波长为1870.04 nm, 3 dB光谱带宽为6.57 nm. 光谱上大量的凹陷源于水的强烈吸收[22]. 脉冲输出功率和单脉冲能量随泵浦功率的变化如图5(a)所示, 脉冲宽度和重复频率随泵浦功率的变化如图5(b)所示. 当泵浦功率从152 mW增加到311 mW时, 输出功率从0.135 mW增加到0.531 mW, 单脉冲能量从6.33 nJ增加到9.94 nJ, 脉冲宽度从6.92 μs减小到3.01 μs, 重复频率从21.31 kHz增加到53.45 kHz. 与锁模操作不同, 调Q脉冲的重复频率取决于泵浦功率而不是腔长. 当泵浦功率增大时, 为SA提供了更高的增益, SA的饱和速度更快, 这导致了重复频率的增加.

      图  3  泵浦功率不同时的调Q脉冲序列 (a) 152 mW; (b) 238 mW; (c) 311 mW

      Figure 3.  Q-switched pulse trains under different pump powers: (a) 152 mW; (b) 238 mW; (c) 311 mW.

      图  4  泵浦功率为152 mW时的调Q光谱

      Figure 4.  Q-switched optical spectrum under pump power of 152 mW.

      图  5  (a) 输出功率和单脉冲能量随泵浦功率的变化; (b) 脉冲宽度和重复频率随泵浦功率的变化

      Figure 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.

      当泵浦功率为311 mW, 水层厚度约为0.1 mm时, 仔细调节PC可以得到稳定的锁模脉冲输出, 此时的输出功率为2.28 mW, 已经达到泵浦激光器最大功率, 无法继续提升泵浦功率. 示波器测得的脉冲序列如图6(a)所示, 脉冲间隔为56.53 ns, 与激光器的腔长相吻合. 图6(b)展示了脉冲的自相关轨迹, 测得脉冲宽度为1.42 ps. 如图6(c)所示, 此时测得输出激光的中心波长为1884.68 nm, 3 dB光谱宽度为4.27 nm, 计算得到时间带宽积为0.512, 略大于傅里叶变换极限双曲正割脉冲的理论值0.315, 说明脉冲存在啁啾. 此外可以看到光谱有很明显的Kelly边带, 说明激光器输出为典型的孤子脉冲. 锁模光谱上大量的凹陷和调Q光谱类似, 也是源于水的强烈吸收[22]. 由图1的纯水吸收谱可知, 在1850—1940 nm波长内, 纯水SA对不同波长的损耗不同, 存在滤波效果. 当激光器处于锁模状态时, 水层的厚度比调Q状态下小, 此时纯水SA整体插损降低, 滤波效果下降, 因此谐振中心波长发生变化. 此外, 锁模状态下脉冲的峰值功率更高, 非线性效应会产生更多的频率成分, 这也会对激光器的输出中心波长产生影响. 图6(d)为输出激光的射频频谱, 重复频率为17.69 MHz, 68 dB的信噪比说明锁模状态非常稳定. 此外, 我们测量了锁模脉冲的长时间稳定性, 如图7所示. 在两个小时内, 输出锁模脉冲序列几乎保持不变, 锁模状态表现出较高的稳定性.

      图  6  (a) 示波器测得的锁模脉冲序列; (b) 输出锁模脉冲的自相关轨迹; (c) 锁模状态的输出光谱; (d) 锁模状态的输出射频频谱

      Figure 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.

      图  7  锁模脉冲的长时间稳定性

      Figure 7.  The long-time stability of mode-locked pulses.

      为了表征纯水SA的非线性响应, 我们用1.9 μm波段锁模光纤激光器作为探测光源进行测量, 探测光脉冲宽度为2.9 ps, 重复频率为33.07 MHz. 10%的输出功率用于监测输入功率, 而90%的剩余激光则进入纯水SA. 通过改变入射功率得到了纯水SA透过率的变化如图8所示典型的饱和吸收曲线, 可以用饱和模型方程来描述:

      图  8  纯水SA在1.9 μm波长下的非线性响应

      Figure 8.  Nonlinear response of the pure water SA at 1.9 μm wavelength.

      $ T\left( I \right) = 1 - \Delta T\exp \left( { - \frac{I}{{{I_{{\text{sat}}}}}}} \right) - {T_{{\text{ns}}}} \text{, } $

      其中$ T\left( I \right) $为透过率, $ \Delta T $为调制深度, I为输入脉冲峰值强度, $ {I_{{\text{sat}}}} $为饱和强度, $ {T_{{\text{ns}}}} $为非饱和损耗. 通过计算得到, 纯水SA的调制深度约为4.8%, 非饱和损耗约为45.6%, 饱和强度约为0.12 GW/cm2.

      实验中, 通过改变纯水SA的厚度分别得到了调Q和锁模脉冲, 虽然都是利用纯水SA的可饱和吸收效应实现的, 但是二者的原理不同. 当纯水SA的厚度较大且泵浦功率较低时, 腔内的损耗较高且增益较低, 反转粒子数更容易积累, 因此容易产生调Q脉冲. 当纯水SA的厚度较小并且泵浦功率较高时, 腔内容易激发出更多的纵模, 因此有利于锁模脉冲的产生.

    • 本文搭建了基于纯水SA的掺铥全光纤脉冲激光器, 调节SA厚度分别实现了调Q和锁模操作. 稳定的调Q脉冲最大输出功率为0.531 mW, 此时的重复频率为53.45 kHz, 脉冲宽度为3.01 μs. 而锁模状态下输出功率提升至2.28 mW, 这是由于水层厚度的降低减小了插损, 锁模脉冲的重复频率为17.69 MHz, 脉冲宽度为1.42 ps. 使用纯水作为SA的被动锁模光纤激光器, 考虑到其皮秒级的响应时间、低廉的价格和极高的损伤阈值, 基于纯水的SA可能在超快光纤激光器领域有着更广泛的运用.

参考文献 (22)

目录

    /

    返回文章
    返回