基于金納米棒可飽和吸收體的被動調(diào)Q摻鉺光纖激光器

許 陽，康 喆，賈志旭，劉 來，趙 丹，秦冠仕，秦偉平

(集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)聯(lián)合實驗室吉林大學(xué)實驗區(qū)吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春 130012)

1 引 言

近年來，光纖激光器由于其具有結(jié)構(gòu)緊湊、閾值低、效率高、光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。人們對于光纖激光器，尤其是脈沖光纖激光器進(jìn)行了大量的研究［1-5］。其中，調(diào)Q光纖激光器和鎖模光纖激光器作為兩種主要脈沖光纖激光器，在軍事、通信、工業(yè)加工、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［1-6］。與鎖模激光器相比，調(diào)Q激光器具有結(jié)構(gòu)更簡單、成本更低等優(yōu)點(diǎn)［7］。調(diào)Q光纖激光器主要由主動和被動兩種形式實現(xiàn)。其中，主動調(diào)Q由外加的調(diào)制器實現(xiàn)［8］，而被動調(diào)Q由可飽和吸收體實現(xiàn)。與主動調(diào)Q相比，被動調(diào)Q激光具有結(jié)構(gòu)簡單、可實現(xiàn)全光纖集成、穩(wěn)定性好以及造價低廉等特點(diǎn)［7，10-11］。目前，常用的可飽和吸收體有半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(Semiconductor saturable absorber mirror，SESAM)、石墨烯(Graphene)、碳納米管(Carbon nanotube，CNT)等。2011年，D.Popa等［7］利用 Graphene作可飽和吸收體在 1.5 μm 附近實現(xiàn)了脈寬為 2 μs、脈沖能量為40 nJ的可調(diào)諧激光輸出(1 522～1 555 nm)。2012 年，Weiqiang Yang等［10］利用 SESAM作為可飽和吸收體在2 μm附近實現(xiàn)了91 mW平均功率、80 kHz 重復(fù)頻率、490 ns 脈寬、1.14 μJ單脈沖能量的激光輸出。2012年，Lei Liu等［11］利用CNT作為可飽和吸收體在1.5 μm附近實現(xiàn)了重復(fù)頻率 23.8 ～66.2 kHz、脈寬 2.6 ～9 μs、約 0.5 nJ 最高單脈沖能量的雙波長脈沖激光輸出。近些年來，對以上3種可飽和吸收體的研究已經(jīng)相當(dāng)廣泛和深入。探索新型的可飽和吸收體對推動調(diào)Q激光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。

本文報道了一種新的可飽和吸收體——金納米棒(AuNRs)，并通過將其集成于全光纖環(huán)形激光腔中實現(xiàn)了被動調(diào)Q摻鉺光纖激光器。在205 mW泵浦功率下，獲得了脈沖寬度為10 μs、平均輸出功率為6.9 mW、單脈沖能量為219 nJ的激光輸出。這種新型可飽和吸收體將會拓展調(diào)Q脈沖激光的研究范圍，并推動脈沖激光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

2 實 驗

AuNRs由種子生長法［13］制備。室溫下，將10 mL濃度為0.5 mmol/L的氯金酸(HAuCl4)溶液與10 mL濃度為0.2 mmol/L的十六烷基溴化銨(CTAB)混合，待混合液分散均勻后，加入1 mL 0.2 mmol/L的硼氫化鈉(NaBH4)溶液并攪拌約10 min，此時溶液顏色由深黃色變?yōu)樽攸S色。靜置2 h后，便得到金種子溶液。室溫下將12.5 mL濃度為0.2 mol/L的5-溴水楊酸(5-bromosalicylic acid)溶液與20 mL濃度為 0.05 mol/L的CTAB混合，同時加入2 mL濃度為4 mmol/L的硝酸銀(AgNO3)溶液，混合均勻后，將1 mL濃度為 0.1 mmol/L的抗壞血酸(Vc)在連續(xù)攪拌的條件下加入混合液，以形成生長溶液。最后，將1 mL已制備的金種子溶液加入生長溶液中。將所制得的溶液室溫下靜置48 h以保證其能生長出AuNRs。然后，將所得的AuNRs溶液與配好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的成膜劑羧甲基纖維素鈉(NaCMC)溶液混合，超聲處理6 h使其混合均勻，得到金納米棒-羧甲基纖維素鈉(AuNRs-NaCMC)混合液。靜置24 h后，將所得的AuNRs-NaCMC混合液涂于載玻片上，干燥后便得到金納米棒可飽和吸收體薄膜。與光學(xué)性質(zhì)各向同性的球形金納米粒子相比［6-15］，AuNRs為棒狀結(jié)構(gòu)，其光學(xué)性質(zhì)并非各向同性，因而存在由橫向等離子共振和縱向等離子共振產(chǎn)生的兩個吸收峰。此處我們用到的為其縱向吸收峰。另外，通過改變金納米棒的長徑比，可以使其吸收峰在可見波段到紅外波段的寬范圍內(nèi)移動［13，15-16］。

圖1(a)為金納米棒的透射電鏡(Transmission electron microscope，TEM)圖，圖 1(b)為其吸收譜。通過圖1(a)可以看到，樣品形貌為棒狀，長度約為100 nm，直徑約為20 nm，長徑比約為5。從圖1(b)可以看出，AuNRs由縱向等離子共振產(chǎn)生的吸收峰具有極寬的吸收帶(800～1 600 nm)，因此其能夠在1.56 μm附近實現(xiàn)調(diào)Q激光脈沖輸出。圖1(c)為測得的金納米棒的歸一化激光透過率與泵浦功率密度的關(guān)系(泵浦源為輸出脈沖寬度500 fs、中心波長1 560 nm的脈沖光纖激光器)，展示了金納米棒的可飽和吸收性。數(shù)據(jù)顯示金納米棒的調(diào)制深度約為4.5%，飽和功率密度約為1.67 MW/cm2。

圖1 (a)金納米棒TEM圖;(b)金納米棒吸收譜;(c)金納米棒歸一化激光透過率與泵浦功率密度的關(guān)系。Fig.1 (a)TEM image of the AuNRs.(b)Optical absorption spectrum of the AuNRs.(c)Dependence of the normalized transmission at 1 560 nm on the pump power density for the AuNRs.

圖2 金納米棒被動調(diào)Q摻鉺光纖激光器實驗裝置圖Fig.2 Schematic setup of AuNRs passively Q-switched erbium-doped fiber laser

本實驗所用的實驗裝置如圖2所示。在實驗中，我們采用環(huán)形光纖激光腔結(jié)構(gòu)。所用的泵浦源是976 nm半導(dǎo)體激光器(976 nm pump LD)，通過一個980/1 550 nm波分復(fù)用器(WDM)將泵浦光耦合進(jìn)激光腔內(nèi)。所用的增益介質(zhì)為一段20 cm的高摻雜摻鉺光纖(EDF)。所用的可飽和吸收體為AuNRs-NaCMC混合薄膜。激光腔中的1 550 nm隔離器(ISO)是為了保證光在腔內(nèi)單方向傳輸。利用一個1 550 nm的10 dB耦合器(10%OC)來輸出脈沖激光。

3 結(jié)果與討論

激光器搭建完畢后，調(diào)整976 nm半導(dǎo)體激光器泵浦功率，當(dāng)泵浦功率增至30 mW時，開始出現(xiàn)穩(wěn)定的調(diào)Q脈沖。繼續(xù)增加泵浦功率，直至約205 mW，激光器依然能保持穩(wěn)定的調(diào)Q激光輸出。圖3給出了泵浦功率約為80 mW時的輸出脈沖序列以及單個輸出脈沖。此時脈沖重復(fù)頻率約為17.5 kHz(對應(yīng)脈沖間隔約 57 μs)，脈沖寬度約為16 μs。圖4給出了輸出激光的光譜，激光中心波長約為1 560 nm。連續(xù)激光經(jīng)可飽和吸收體調(diào)制為調(diào)Q脈沖激光后，激光脈沖的窄化對應(yīng)頻域的展寬，故所得脈沖光譜寬度與連續(xù)激光相比有較明顯的展寬。

圖3 (a)輸出脈沖序列;(b)單個輸出脈沖。Fig.3 (a)Output pulse train of the laser.(b)Single pulse profile of the laser.

圖4 激光器輸出光譜Fig.4 Emission spectrum of the laser

圖5給出了輸出激光脈沖寬度及重復(fù)頻率與泵浦功率的關(guān)系。當(dāng)泵浦功率為30 mW時，脈沖寬度約為20 μs，重復(fù)頻率約 6.6 kHz;隨著泵浦功率增至205 mW，脈沖寬度下降至約10 μs，而重復(fù)頻率增至約31.5 kHz。輸出脈沖寬度隨泵浦功率的增大而減小、而重復(fù)頻率隨泵浦功率的增大而提高是被動調(diào)Q激光器的典型特征［11］，這是由泵浦速率隨著泵浦功率的增大而提高引起的［6］。圖6為激光器輸出功率隨泵浦功率的變化圖。由圖6可知，該激光器的光-光轉(zhuǎn)換效率約為3.6%。隨著泵浦功率自30 mW增至205 mW，輸出功率由約1 mW增至約6.9 mW，所對應(yīng)的單個脈沖能量最高達(dá)219 nJ。

在制作AuNRs可飽和吸收體時，我們加入了成膜劑NaCMC。為了確保調(diào)Q是由AuNRs實現(xiàn)，我們只將NaCMC薄膜置于激光腔中，觀察其輸出光譜及脈沖。圖7(a)和圖7(b)分別為泵浦功率升至205 mW時所得的輸出光譜以及輸出激光的示波器顯示，可以看到只有連續(xù)光的輸出而沒有任何形式脈沖光的輸出，這證實了我們所得到的調(diào)Q激光輸出由AuNRs實現(xiàn)。

圖5 輸出脈沖寬度和重復(fù)頻率隨泵浦功率的變化Fig.5 Dependence of the pulse duration and repetition rate on the pump power

圖6 激光器輸出功率隨泵浦功率的變化Fig.6 Out power of the laser as a function of the pump power

圖7 (a)只將NaCMC薄膜置于腔中時的輸出光譜;(b)只將NaCMC薄膜置于腔中時輸出激光的示波器顯示。Fig.7 (a)Emission spectrum of the EDFL with a bare NaCMC film.(b)Output laser of the EDFL with a bare NaCMC film.

4 結(jié) 論

利用種子誘導(dǎo)生長法制備了長徑比為5的金納米棒，實現(xiàn)了基于新型可飽和吸收體——金納米棒的被動調(diào)Q摻鉺光纖激光器，得到了閾值為30 mW的穩(wěn)定調(diào)Q激光輸出。當(dāng)泵浦功率增至205 mW時，輸出最大平均功率約為6.9 mW，單脈沖能量高達(dá)219 nJ。此外，由于金納米棒吸收峰位置與其長徑比的依賴性，金納米棒有潛力成為覆蓋多個波段的新型可飽和吸收體。

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