碳纳米管可饱和吸收体被动调Q掺铒光纤激光器_贾苏蒙.pdf

长春理工大学学报（自然科学版）Journal of Changchun University of Science and Technology（Natural Science Edition）Vol.46No.1Feb.2023第46卷第1期2023年2月贾苏蒙，等：碳纳米管可饱和吸收体被动调Q掺铒光纤激光器收稿日期：2022-03-05基金项目：吉林省科技发展计划项目（20200501006GX）作者简介：贾苏蒙（1996-），女，硕士研究生，E-mail：通讯作者：王蓟（1978-），女，博士，副教授，硕士生导师，E-mail：jiji_碳纳米管可饱和吸收体被动调 Q 掺铒光纤激光器贾苏蒙，王蓟，白笑羽，郭欣宇，张永熙（长春理工大学物理学院，长春130022）摘要：为了实现一种结构简单紧凑、低成本的 1.5 m 环形腔可饱和吸收体被动调 Q 掺铒光纤激光器（EDFL），采用沉积法制备单壁碳纳米管可饱和吸收体薄膜作为系统中的可饱和吸收体器件。将制成的可饱和吸收体器件以“三明治”结构放入环形腔掺铒光纤激光器中，实现了稳定的调 Q 脉冲输出。被动调 Q 掺铒光纤激光器，以 980 nm 半导体激光器作为泵浦源，掺铒光纤作为增益介质，激光器阈值为 70 mW，工作波长为 1 557.5 nm。当泵浦功率从 80 mW 增加到 180 mW 时，各参量均呈一定趋势发展。调 Q 脉冲的重复频率从 11.14 kHz 增加到 32.73 kHz，脉冲能量从 8.4 nJ 增加到 36.9 nJ，脉冲宽度从 16.6 s 减小到 4.62 s。关键词：光纤激光器；被动调 Q；碳纳米管；掺铒光纤中图分类号：O43文献标志码：A文章编号：1672-9870（2023）01-0007-05Passively Q-switched Erbium-Doped Fiber LaserBased on Carbon Nanotube Saturable AbsorberJIA Sumeng，WANG Ji，BAI Xiaoyu，GUO Xinyu，ZHANG Yongxi（School of Physics，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）Abstract：In order to realize a 1.5 m ring cavity saturable absorber passively Q-switched erbium-doped fiber laser（EDFL）with simple，compact and low cost，the single wall carbon nanotube saturable absorber film was prepared by depo-sition method as the saturable absorber device in the system.The saturable absorber device is put into the ring cavityerbium-doped fiber laser in a“sandwich”structure，and the stable Q-switched pulse output is realized.The passive Q-switched erbium-doped fiber laser uses 980 nm semiconductor laser as the pump source and erbium-doped fiber as the gainmedium.The laser threshold is 70 mW，the working wavelength is 1 557.5 nm.When the pump power increases from 80 mWto 180 mW，all parameters show a certain trend.The repetition rate of Q-switched pulse increased from 11.14 kHz to32.73 kHz，the pulse energy increased from 8.4 nJ to 36.9 nJ，and the pulse width decreased from 16.6 s to 4.62 s.Key words：fiber lasers；passively Q-switched；carbon nanotube；erbium-doped fiber1.5 m 波段激光处在人眼安全范围，是脉冲光纤激光器研究的重点波段，脉冲光纤激光器实现激光输出的三种技术分别为锁模技术、调 Q技术和脉冲种子源放大技术。调 Q 光纤激光器在生物医学、军工、工业生产、精密测量1-5等领域都有极好的发展前景。调 Q 技术主要通过 Q开关对谐振腔内的损耗进行周期性调控，从而形成巨脉冲输出。利用可饱和吸收体（SA）的透过率随光强增加而增加的特性可以制成 Q 开关器件，具有这种特性的 SA 包括半导体可饱和吸长春理工大学学报（自然科学版）2023年收镜（SESAM）6、黑磷（BP）7、二维材料二硒化铪8、氧 碳 化 硅（SiOC）9、Dirac 型 材 料 如 石 墨烯10和拓扑绝缘体11等。然而，在上述的可饱和吸收体中，SESAM 结构复杂价格昂贵，拓扑绝缘体制备的可饱和吸收体厚度很低，二硒化铪能级中有缺陷12，石墨烯具有非常低的调制深度13，黑磷材料的制造工艺可扩展性低且产量不可控14，这些特点限制了他们的广泛应用。1991 年，Iijima 等人15发现了碳纳米管，研究发现碳纳米管的光透过率与光强相关，可以用来制备成可饱和吸收体器件。单壁碳纳米管在电子学、力学和光学上都有优良特性16且拉伸力好，这些特性引起了人们的关注，由此引领了人们对于其在光纤激光器中应用的广泛研究。2003年，Set 等人17通过研究，发明了结构简单的“三明治”型可饱和吸收体器件，基于这种器件搭建了一个锁模掺铒光纤激光器。2017 年，康喆团队基于微纳光纤-单壁碳纳米管材料制备可饱和吸收体薄膜在掺镱光纤激光器中作为可饱和吸收体器件，实现了最高 941 nJ 的单脉冲能量被动调 Q 激光输出18。本文制备了一种单壁碳纳米管可饱和吸收体（SWCNT-SA）薄膜，利用该薄膜制成了“三明治”形态的可饱和吸收体器件。由于环形腔有利于全光纤器件连接和高功率输出，掺铒光纤激光器发展成熟且操作稳定，所以系统的腔型结构选取为环形腔，增益光纤为铒掺杂光纤。将可饱和吸收体器件用于环形腔铒光纤激光器中，得到了稳定的被动调 Q 脉冲输出，实现了一种 1.5 m 碳纳米管可饱和吸收体被动调 Q 掺铒光纤激光器。在 80200 mW 的泵浦功率下，调Q脉冲序列稳定，泵浦功率在 180 mW 和 200 mW 时分别得到了最大单脉冲能量 36.9 nJ 和最大平均输出功率 1.17 mW。1可饱和吸收体器件制备单壁碳纳米管的非线性光学特性非常明显，恢复时间很快（800 fs），光谱带宽较宽（3002 300 nm），损伤阈值高，价格低廉，这些特性使得其在脉冲激光器中的应用非常广泛19。本 文 中 将 SWCNT 分 散 在 羧 甲 基 纤 维 素 钠（NaCMC）溶液中，然后将溶液均匀滴涂，制成可饱和吸收体薄膜。NaCMC 溶液作为成膜剂其具体制备过程为，将 NaCMC 粉末与去离子水混合形成 NaCMC 悬浮液，保持 30 的条件下，在磁力搅拌器里离心搅拌 24 h，使其均匀混合得到成膜剂。将直径为 12 nm 的单壁碳纳米管粉末与适量成膜剂混合放入离心管中进行超声处理，为了使单壁碳纳米管的捆束打开，对该混合溶液进行超声作用超过 10 h。超声处理过的溶液静置后，未发现沉淀，得到均匀分散的 SWCNT-NaCMC 溶液。用取液枪将超声均匀的溶液均匀滴涂在洁净的载玻片上，在超净环境下隔尘沉积成均匀的薄膜，基于单壁碳纳米管材料的用于掺铒光纤激光器中的可饱和吸收体薄膜制备完成。将制备好的 SWCNT-SA 薄膜切成直径 2 mm的正方形小块，用镊子将其平放在一个光纤连接头的光纤端面上，用法兰盘将带有 SWCNT-SA的光纤连接头同另一个光纤连接头固定在一起，这样就形成了叠加的“三明治”形态可饱和吸收体器件。2实验结构及数据分析图 1 为基于碳纳米管的被动调 Q 掺铒光纤激光器实验结构图，系统采用了环形腔的结构，单壁碳纳米管可饱和吸收体器件插入在输出耦合器与隔离器之间。泵浦源是一个半导体激光器，最 大 输 出 功 率 为 500 mW，工 作 在 980 nm。泵浦光通过 980/1 550 波分复用器耦合进入增益光纤，增益光纤为 30 cm 长的铒掺杂光纤。隔离器使激光在环形腔中不损伤其他器件，保持单向运行，同时提高输出激光的信噪比。耦合器的 90%输出端接回到谐振腔，谐振腔内各器件由单模光纤连接。该激光腔的总长度约为 6.3 m，单模光纤总长为 6 m。输出端接入光纤光谱仪8（YOKOGAWA AQ6375）、数 字 示 波 器（TektronixMDO3054）、频谱分析仪（Agilent 4407B）以及光功率计（OPHIR）进行测试分析。图 1基于碳纳米管的被动调 Q EDFL 实验装置图 2 为激光器输出功率随泵浦功率的变化曲线，如图所示，泵浦功率从70 mW增加至200 mW时，输出功率呈线性增加，最大值输出功率为1.17 mW。继续加大泵浦功率，脉冲序列抖动明显，此时激光器已经不能稳定工作。图 3 所示为EDFL的光谱图，该激光器的工作波长为1 557.5 nm，3 dB 带宽为 0.22 nm。图 2激光器输出功率随泵浦功率的变化曲线图 3EDFL 在泵浦功率为 95mW 时的光谱在泵浦功率从 70 mW 增加至 200 mW 时，示波器图像显示脉冲序列一直稳定，脉冲峰值没有巨大的抖动。泵浦功率为 95 mW 时，EDFL 的典型脉冲序列如图 4 所示，此时每个脉冲的时间间隔为 5.73 s，重复频率为 13.68 kHz。图 4泵浦功率为 95 mW 时 EDFL 的典型脉冲序列图 5 为泵浦功率 110 mW 时脉冲的频谱图，图像显示脉冲的信噪比为 49 dB，此时脉冲处于稳定状态。图 5EDFL 频谱图 6 为激光器重复频率随泵浦功率的变化曲 线。重复频率最小值为 11.14 kHz，最大值为32.73 kHz。锁模光纤激光器系统中腔体的长短决定了其重复频率的数值。而对于被动调 Q 光纤激光器来说，随着泵浦功率的不断增加，系统在更短的时间内完成能量储存，使可饱和吸收体更快趋于饱和，所以泵浦功率的增加导致重复频率随之变大。贾苏蒙，等：碳纳米管可饱和吸收体被动调Q掺铒光纤激光器第1期9长春理工大学学报（自然科学版）2023年图 6EDFL 的重复频率与泵浦功率的关系图 7 为 EDFL 脉冲宽度、脉冲能量随泵浦功率变化的曲线。如图所示，当泵浦功率从 80 mW增 加 到 180 mW 时，脉 冲 能 量 从 8.4 nJ 增 加 到36.9 nJ，脉冲宽度从 16.6 s 减小到 4.62 s。但当泵浦功率从 180 mW 增加到 190 mW 时，脉冲能量反而下降，脉冲宽度略有增加，分析原因可能是由于激光腔内的模式竞争使工作波长发生了轻微的变化，导致脉冲能量降低，脉冲宽度增加。对应图6中也可以看到，当泵浦功率从180 mW增加到 190 mW 时，重复频率有一个明显的上升，重复频率随泵浦功率变化的线性斜率明显增大，而此时输出功率仍保持线性增加（图 2 所示），因此被动调 Q 激光器的脉冲能量有所降低，对应的脉冲宽度也有所增加。泵浦功率为180 mW时，得到了单脉冲能量的最大值为36.9 nJ；泵浦功率为 200 mW 时，脉冲宽度最小为 4.59 s。图 7激光器脉冲宽度、脉冲能量与泵浦功率的关系3结论综上所述，通过将制备的 SWCNT-NaCMC 溶液用常规沉积法沉积在载玻片上获得了可饱和吸收材料，并将此制成“三明治”形态的 SWCNT可饱和吸收体器件插入到环形腔掺铒光纤激光器中出现了被动调 Q 激光输出，实现了一种简单而紧凑的被动调 Q 掺铒光纤激光器。该系统工作在 1 557.5 nm，在 80200 mW 的泵浦功率下，形成了稳定的调 Q 脉冲序列。随着泵浦功率的增加，脉冲的重复频率逐渐增大，脉冲宽度逐渐减小，脉冲能量的数值在上升趋势后因重复频率线性斜率明显增大而下降，激光器仍保持稳定调 Q。泵浦功率为 200 mW 时，激光器得到最大平均输出功率为1.17 mW。泵浦功率为180 mW时，激光器得到最大单脉冲能量为 36.9 nJ，这也表明在 1.5 m 波段单壁碳纳米管类可饱和吸收体被动调 Q 掺铒光纤激光器仍有巨大发展前景和优势。参考文献1 令维军，王文婷.2 m 超短脉冲全固态掺铥振荡器研究进展（特邀）J.红外与激光工程，2021，50（8）：32-42.2潘伟，陈华龙，王铁斌，等.不同浓度 Ti：Bi_2Te_3的调 Q 光纤激光器 J.红外与激光工程，2020，49（8）：113-119.3 高静，于峰，匡鸿深，等.纳秒声光调 Q 光纤激光器产生超连续谱J.光学精密工程，2014，22（5）：1138-1142.4 孙俊杰，陈飞，何洋，等.新型过渡金属硫化物在超快激光中的应用 J.中国光学，2020，13（4）：647-659.5 孙有生，端木庆铎，林鹏，等.1.6 m 波段锁模光纤激光器 J.中国光学，2021，14（6）：1387-1394.6 王加贤，庄鑫巍.基于半导体可饱和吸收镜实现闪光灯抽运 NdYAG 激光器的被动调 Q 与锁模 J.光学精密工程，2006（4）：584-588.7LUO Z C，LIU M，GUO Z N，et al.Microfiber-basedfew-layer black phosphorus saturable absorber for ultra-fast fifiber laserJ.Opt.Express，2015，23（15）：20030-20039.108 张凯龙，陈浩伟，陆宝乐，等.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 J.光学学报，2020，40（13）：118-123.9NIZAMANI B，MEMON F A，UMAR Z A，et al.Q-switchederbium-doped fiber laser with silicon oxycarbide saturable absorberJ.Optik-International Journal for Lightand Electron Optics，2020（51）：1652341-1-6.10袁振，令维军，陈晨，等.高单脉冲能量被动调 Q锁模 Tm，Ho：LLF 激光器J.红外与激光工程，2021，50（8）：128-133.11SAHAR H K，REZA K，HWANSEONG J，et al.All-fiber er-dopedq-switched laser based on tungsten disulfide saturable absorberJ.Optical Materials Express，2015，5（2）：373-379.12杨飞，李萌萌，赵尚龙，等.基于新型可饱和吸收器件调 Q 激光器的研究进展 J.激光与光电子学进展，2020，57（15）：20-30.13JAFRY A A A，KASIM N，MUHAMMAD A R，et al.Q-switched ytterbium-doped fiber laser based on evanescent field interaction with lutetium oxideJ.Applied optics，2019，58（35）：9670-9676.14ZHANG M，WU Q，ZHANG F，et al.2D Black Phosphorus Saturable Absorbers for Ultrafast PhotonicsJ.Advanced Optical Materials，2019，7（1）：18002241-1-18.15IIJIMA S.Helical microtubules of graphitic carbonJ.Nature，1991（354）：56-58.16刘忠柱，赵伟，潘玮，等.多壁碳纳米管改性等规聚丙烯复合材料结构及性能研究 J.材料导报，2023（3）：1-12.17 SET S Y，HIROSHI Y，TANAKA Y，et al.Laser modelocking using a saturable absorber incorporating carbonnanotubesJ.Journalof Lightwave Technology，2004，22（1）：51-56.18 康喆，刘明奕，刘承志，等.基于微纳光纤-单壁碳纳米管可饱和吸收体的被动调 Q 掺镱光纤激光器J.发光学报，2017，38（5）：631-636.19王莎莎，潘玉寨，高仁喜，等.碳纳米管锁模双包层光纤激光器的实验研究 J.物理学报，2013，62（2）：291-296.贾苏蒙，等：碳纳米管可饱和吸收体被动调Q掺铒光纤激光器第1期11