基于氧化銅可飽和吸收體的摻鉺光纖激光器

張亞妮，武柯欣，苗 挺，薛 佳，姚一鳴

（陜西科技大學 文理學院，陜西 西安 710021）

引言

超短脈沖因其在光通信、非線性光學、生物醫(yī)療和材料微加工等領(lǐng)域的潛在應用而備受關(guān)注[1-2]。如今，超快光纖激光器的蓬勃發(fā)展已經(jīng)徹底改變了超快光子學領(lǐng)域。作為第三代激光技術(shù)的代表，光纖激光器具有制造成本低、小型化、激光閾值低等優(yōu)點。此外，光纖激光器的諧振腔中沒有光學透鏡，其呈現(xiàn)的免調(diào)節(jié)、免維護和高穩(wěn)定性等優(yōu)勢是傳統(tǒng)激光器無法比擬的。同時，光纖激光器容易適應惡劣的工作生活環(huán)境，對灰塵、濕度和溫度有很高的耐受性。通常，光纖激光器可以在連續(xù)波、調(diào)Q 和鎖模模式下工作[3-5]。鎖模技術(shù)是產(chǎn)生超短脈沖（～ps 至～fs）和高重復頻率（～MHz至～GHz）脈沖輸出的有效途徑。鎖模操作可以通過主動或被動技術(shù)來實現(xiàn)。主動鎖模技術(shù)通常使用聲光或者電光效應將外部信號應用于光損耗調(diào)制器，外部信號驅(qū)動調(diào)制器對激光腔內(nèi)光場實現(xiàn)周期性的幅度或者相位調(diào)制，當調(diào)制頻率與縱模間隔相等時，可實現(xiàn)鎖模，但環(huán)境擾動會影響調(diào)制頻率，從而引發(fā)鎖模的不穩(wěn)定性。此外，外部調(diào)制器的固有電子速度限制脈沖持續(xù)時間在1 ps～100 ps 的范圍內(nèi)，也增加了系統(tǒng)的復雜性[6]。被動鎖模的關(guān)鍵技術(shù)是需要在激光諧振腔中插入可飽和吸收體（saturable absorbers,SAs），用于獲得激光諧振腔內(nèi)光的自振幅調(diào)制，并利用其非線性特性實現(xiàn)脈沖窄化，從而得到超短脈沖輸出[7]。與主動鎖模技術(shù)相比，被動鎖模技術(shù)具有操作簡單、響應快速、易于實現(xiàn)等優(yōu)越性能[8]。

上世紀90 年代，研究人員廣泛提出并研究了通過在激光腔中嵌入半導體可飽和吸收鏡（semiconductor saturated absorption mirror,SESAM）作為光纖激光器的Q 開關(guān)和被動鎖模器件[9-10]，但其存在操作帶寬有限，成本高以及制造工藝復雜等固有缺點。隨后，以碳納米管和石墨烯為代表的低維材料所表現(xiàn)出的優(yōu)異光學特性激發(fā)了研究人員對材料SAs 被動鎖模技術(shù)的研究熱潮。2008 年，F(xiàn)umio Shohda 等人基于碳納米管SA 在摻鉺光纖激光器中獲得了115 fs 的超短脈沖輸出[11]。2009 年，深圳大學Zhang 和南洋理工大學Bao 等人率先使用石墨烯SA 在摻鉺光纖激光器中，實現(xiàn)了脈沖寬度為756 fs 的超短脈沖輸出[12]。然而，碳納米管具有較低損傷閾值，其工作波長取決于碳納米管的直徑[13]；石墨烯具有弱吸收系數(shù)及低損傷閾值[14]等，種種因素也激發(fā)了研究人員對其他新型低維材料的研究，如拓撲絕緣體（topology insulators,TIs）和過渡金屬硫化物（transition metal dichalcogenides,TMDs）。其中，Bi2Te3和MoS2等也陸續(xù)被證明是用于產(chǎn)生超短脈沖的被動鎖模摻鉺光纖激光器（erbiumdoped fiber laser,EDFL）的有效非線性SAs 材料。2014 年，Lin 等人基于TI-Bi2Te3SA 獲得了436 fs的超快激光[15]。2016 年，M.H.M.Ahmed 等人基于TMD-MoS2SA 在摻鉺光纖激光器中獲得了630 fs的超短脈沖輸出[16]。盡管如此，現(xiàn)有低維材料如TIs 和TMDs 分別因復雜的制造工藝和相對較寬的禁帶限制了其作為SAs 在超快光纖激光器中的應用[17-18]。不同于以上低維材料，黑磷（black phosphorus,BP）因其具有通過控制厚度可調(diào)控其帶隙寬窄的優(yōu)勢，在超快光纖激光器中獲得廣泛應用。2016年，E.I.Ismail 等人基于BP-SA 成功在摻鉺光纖激光器中實現(xiàn)了調(diào)Q 和鎖模操作[19]。然而，BP 長時間暴露在空氣中時，損傷閾值由于氧化效應而不斷降低，從而極大影響了可飽和吸收性能[20]。過渡金屬氧化物（transition metal oxides,TMOs）具有優(yōu)異的非線性光學特性、良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性以及機械強度等優(yōu)點，盡管在如氣體傳感器、太陽能電池、場致發(fā)射體、光伏器件和光開關(guān)等光電領(lǐng)域顯示出巨大的應用潛力，然而其被作為SAs 應用于超快光纖激光器中的研究甚少[21-23]。直到最近，這些具有快速恢復時間和適當調(diào)制深度的TMO（如，ZnO、Al2O3、TiO2）才被開發(fā)為SAs應用于光纖激光器中[24-26]。2017 年，H.Ahmad 等人基于ZnO SA 成功實現(xiàn)了雙波長鎖模摻鉺光纖激光器[24]。2021 年，M.H.M.Ahmed 等人展示了一種基于TiO2SA 的摻銩鎖模光纖激光器，其脈沖寬度窄至1.5 ps[27]。CuO 作為TMOs 中另一種具有窄帶隙的半導體化合物，呈現(xiàn)出非常理想的優(yōu)勢，例如高三階光學非線性效應，適當?shù)膿p傷閾值以及在皮秒范圍內(nèi)表現(xiàn)出超快弛豫和復合動力學時間等，也被視為超快光纖激光器應用中SA 的理想候選材料，從而備受研究人員青睞[28-29]。

本文采用液相沉淀法制備CuO 樣品，通過光脈沖沉積技術(shù)將其沉積在錐形光纖上，制備成SA器件并與摻鉺光纖激光器環(huán)形諧振腔耦合，成功在摻鉺光纖激光器中獲得了傳統(tǒng)孤子與束縛態(tài)孤子脈沖。傳統(tǒng)孤子脈沖工作于波長1 530.2 nm處，其重復頻率和脈沖寬度分別為5.34 MHz 和1.23 ps。穩(wěn)定束縛態(tài)孤子脈沖工作在波長1 529.6 nm處，輸出的重復頻率和脈沖間隔分別為6.28 MHz和159 ns。其光譜的調(diào)制周期為3 nm。利用雙曲正割多峰曲線對自相關(guān)測量結(jié)果進行擬合，發(fā)現(xiàn)其脈沖寬度為1.09 ps。兩個脈沖之間的間隔大小為2.6 ps，與光譜調(diào)制周期相對應，該激光器最大輸出功率和脈沖能量分別為2.2 mW 和1.37 nJ。

1 材料與方法

1.1 材料制備與表征

采用液相沉淀法制備CuO 材料。室溫下取物質(zhì)的量濃度為0.1 mol·L-1的CuSO4溶液100 mL，加入木質(zhì)素磺酸鈣1 g，攪拌溶解，在連續(xù)攪拌下，逐滴滴入2 mol·L-1NaOH 溶液10 mL，在50 ℃下加熱回流5 h，冷卻至室溫，將所得沉淀混合物離心分離，沉淀物用去離子水清洗2 遍，再用無水乙醇清洗2 遍，離心分離，分離后的固體放入恒溫干燥箱中60 ℃ 干燥11 h，然后將干燥后的固體于350 ℃溫度下焙燒2 h，即得到黑色CuO 顆粒。制備得到的CuO 材料特性如圖1 所示。

圖1 CuO 材料特性Fig.1 Material properties of CuO

圖1(a)、1(b)和1(c)分別是CuO 在不同分辨率下（100 nm、200 nm 以及1 μm）的SEM 圖像，SEM圖像表明CuO 具有類球狀的形貌特征。圖1(d)中的EDX 光譜顯示，樣品由Cu 和O 組成，定量分析結(jié)果表明，Cu 和O 的原子比非常接近1∶1 的化學計量。為了更詳細地研究CuO 的形貌，通過TEM進一步表征了其微觀結(jié)構(gòu)。圖1(e)和1(f)顯示了CuO 的典型TEM 和HRTEM 圖像，TEM 圖像可以觀察到明顯的類球形顆粒結(jié)構(gòu)，HRTEM 圖像顯示了CuO 間距為0.25 nm 的晶格條紋來自（-111）晶面。CuO 的UV-VIS-NIR 光譜如圖1(g)所示，樣品在200 nm～1 800 nm 之間被吸收，最大強度的吸收峰在466 nm 附近。圖1(h)展示了CuO 的拉曼（Raman）光譜，CuO 的Raman 光譜中在283 cm-1、327 cm-1和628 cm-1呈現(xiàn)出3 個Raman 散射峰，該研究結(jié)果與CuO 的拉曼特征峰相符。283 cm-1處的Raman 峰相對較強，與Ag 模式對應，327 cm-1和628 cm-1處的Raman 峰較弱，對應Bg 模式，證明制備的CuO 材料具有單相結(jié)構(gòu)。除此之外，采用XRD 精確分析材料的成份，如圖1 (i)所示，XRD圖譜具有豐富的譜線特性，衍射峰高度有序，證明了CuO 材料的純度，同時也進一步證實了CuO 的單相結(jié)構(gòu)。圖1(j)、1(k)和1(l)顯示了利用x 射線光電子能譜（XPS）對制備的CuO 樣品的純度和元素組成的檢測結(jié)果。圖1(j)為 CuO 的全譜圖，全譜圖包含C、O 和Cu 元素的突出峰。圖1(k)為Cu 2p 譜，顯示了在933.2 eV 處檢測到Cu 2p3/2峰位，兩個振蕩衛(wèi)星的結(jié)合能分別比主峰高7.9 eV 和10.6 eV，這些特征對應于銅原子的Cu2+態(tài)。圖1(l)表明O 1s 核心能級譜很寬，通過曲線擬合可以求解出兩個高斯峰（標記為I 和II），峰I 的能量較低，為529.5 eV，與CuO 中的O2-一致；而峰II 的能量較高，為531.2 eV，是由于O 被吸附在CuO 顆粒表面。因此，XPS 結(jié)果證明樣品由CuO 組成。表征結(jié)果顯示CuO 被高質(zhì)量制備，為后續(xù)CuO 作為高效的SA 材料提供了可能。

1.2 可飽和吸收體的制備

CuO-SA 器件的制備過程如圖2 所示。SAs 是材料與光纖耦合以實現(xiàn)被動鎖模的關(guān)鍵器件。目前，制備SAs 的方法多種多樣，最常見的方法包括將材料與錐形光纖、D 形光纖結(jié)合的倐逝波耦合方式以及通過光纖連接器實現(xiàn)的傳輸耦合方式。本文選擇錐形光纖作為SA 器件的基底材料，該方法簡單易操作，同時具有更長的材料與激光的相互作用距離，能有效提高器件的非線性和損傷閾值。其中，錐形光纖制備如圖2(a)所示，剝離光纖涂覆層，在光纖兩端施加力的作用下用酒精燈外焰對剝離區(qū)域進行加熱拉伸。通過高溫拉伸，得到了損耗值約為35%的錐形光纖。圖2(b)顯示了CuO-SA 的制備。首先，將納米CuO 溶于乙醇形成分散溶液，隨后，通過光脈沖沉積技術(shù)將均勻分散溶液沉積在錐形光纖腰部，實現(xiàn)了光與物質(zhì)的相互作用。具體來說，光脈沖沉積技術(shù)是指當1.5 μm的連續(xù)波通過錐形光纖時，將CuO 分散液滴落到錐形光纖腰部，CuO 納米材料將沿溫度梯度粘附在錐形光纖上。至此，CuO-SA 器件制備完成，將其嵌入激光腔中可實現(xiàn)可飽和吸收效應。

圖2 可飽和吸收體制備Fig.2 Fabrication of saturable absorbers

接下來，搭建了雙臂測量裝置探究CuO-SA 器件的非線性光學特性，其實驗裝置如圖3 所示。NPR 鎖模激光器（中心波長為1 550 nm）作為泵浦源（Pump），負責為整個系統(tǒng)提供光脈沖。衰減器（Attenuator）的作用是調(diào)節(jié)激光脈沖的輸出功率。50%∶50%的光耦合器（OC）將輸出的激光脈沖分成兩束，一束為測量光路，經(jīng)過CuO-SA 器件并連接功率計（Power），另一束則作為參考光路連接第二個功率計。兩個功率計完全一致保證實驗結(jié)果準確性。計算兩個功率計的比值則為CuO-SA 器件對光的透射率。通過調(diào)節(jié)泵浦源改變輸出功率的大小，最終得到CuO-SA 器件的非線性飽和吸收特性。CuO-SA 器件的非線性飽和吸收曲線如圖4所示。由圖4 可知，隨著激光強度的逐漸增加，CuO-SA 器件的吸收率逐漸降低，進而呈現(xiàn)出飽和吸收狀態(tài)。

圖3 雙臂測量裝置Fig.3 Experiment diagram of two arm measurement

圖4 非線性飽和吸收曲線Fig.4 Nonlinear saturation absorption curve

整個狀態(tài)可用公式（1）表示：

式中：αns是非飽和損失；αs是調(diào)制深度；Isat是飽和強度。當光子能量大于材料的帶隙時，光子可以被SA 器件吸收。當入射光強較弱時，該SA 器件的吸收近似為線性。但當入射光強I接近飽和光強Isat時，SA 器件會呈現(xiàn)出非線性光吸收特性。實驗研究表明，CuO-SA 器件的飽和光強和調(diào)制深度分別為13.1 MW/cm2和6.82%。表1 中對比了不同過渡金屬氧化物材料SAs 的非線性光學參數(shù)。相較而言，CuO-SA 具有合適的調(diào)制深度與較小的飽和強度，由此表明CuO-SA 器件具有良好的非線性吸收特性，可用于激光調(diào)制。

表1 不同過渡金屬氧化物的摻鉺光纖激光器在1.55 μm波長的性能比較Table 1 Performance comparison for EDFLs based on various TMOs at 1.55 μm wavelength

2 實驗裝置

摻鉺光纖激光器實驗裝置如圖5 所示。采用波長為976 nm 的半導體二極管作為泵浦源。長度為0.3 m、吸收系數(shù)為20 dB/m、波長約為1 530 nm的摻鉺光纖作為激光增益介質(zhì)，為諧振腔提供增益。泵浦源經(jīng)過一個三合一器件（WDM/ISO/OC），其中，980 nm/1 550 nm 波分復用器（WDM）對波長進行合并或分離；偏振無關(guān)隔離器（PI-ISO）保證脈沖單向傳輸，消除端面反射光，從而提高脈沖信噪比；光纖耦合器（OC）輸出30%激光，剩余70%激光繼續(xù)參與腔內(nèi)振蕩。全光纖偏振控制器（PC）通過改變光纖雙折射來調(diào)節(jié)光纖中激光傳輸?shù)钠駹顟B(tài)；40.2 m 單模光纖（SMF）以增加腔中的非線性和色散。CuO-SA 置于激光腔中實現(xiàn)非線性吸收鎖模。除增益光纖外，諧振腔內(nèi)使用的其余光纖為標準單模光纖（SMF-28）。OC 輸出的激光參數(shù)通過以下儀器進行測試分析：其型號分別為 Rigol DS6104 的數(shù)字示波器（1-GHz），Anritsu MS9710C光譜分析儀（分辨率 0.02 nm），Rohde &Schwarz FSC6 頻譜儀（2 GHz）及FR-103XL 自相關(guān)儀。

圖5 鎖模摻鉺光纖激光器實驗裝置Fig.5 Experimental device of mode-locked EDFL

3 實驗結(jié)果與分析

首先，為了測試CuO-SA 器件的鎖模效果，在激光腔中暫時不接入CuO-SA，調(diào)節(jié)泵浦功率和PC 的狀態(tài)，并未實現(xiàn)鎖模脈沖。然后，將CuO-SA器件接入環(huán)形激光腔中，適當調(diào)整 PC 以及泵浦功率，當泵浦功率達到233.6 mW 時，成功在光纖激光器中實現(xiàn)了傳統(tǒng)孤子鎖模。由此可知，CuOSA 器件在模式鎖定中至關(guān)重要。傳統(tǒng)孤子脈沖輸出具有雙曲正割輪廓，其譜具有明顯的凱利邊帶。凱利邊帶是由非線性效應和光纖色散之間的平衡形成的。諧振腔內(nèi)的色散波進行干涉產(chǎn)生了凱利邊帶，其一般位于中心波長的兩端，與中心波長距離越近，其強度越大。圖6 展示了其脈沖輸出特性。其中圖5(a)為傳統(tǒng)孤子的輸出光譜，其光譜中心波長為1 530.2 nm，3 dB 帶寬為3.4 nm，光譜圖中可以觀察到由于脈沖和色散波在激光腔內(nèi)的干涉所導致的明顯凱利邊帶；圖6(b)為激光器典型的輸出脈沖序列，脈沖間隔為184 ns；圖6(c)為脈沖的射頻光譜，中心峰位于5.34 MHz 處，與脈沖間隔相對應，同時，激光器的信噪比高達53 dB，這表明激光器鎖模狀態(tài)非常穩(wěn)定；圖6(d)為輸出脈沖的自相關(guān)軌跡，利用雙曲正割曲線對其進行擬合，得到的脈沖寬度為1.23 ps。功率計測得最大輸出功率為2.2 mW，時間帶寬積（TBP）值計算為0.337，略大于理論值0.315，表示脈沖具有輕微啁啾。激光器的輸出脈沖能量為1.37 nJ。

圖6 傳統(tǒng)孤子輸出特性Fig.6 Output characteristics of traditional soliton

繼續(xù)調(diào)節(jié)光纖激光器的泵浦功率以及激光腔內(nèi)偏振態(tài)，當泵浦功率為329 mW 時，激光器獲得了穩(wěn)定的束縛態(tài)孤子脈沖輸出。束縛態(tài)孤子脈沖作為一種束縛的孤子形態(tài)，由多個子脈沖組成，是由非線性效應、色散效應、增益和損耗等許多效應復雜作用所引起的孤子之間的斥力和引力平衡的結(jié)果。由于被動鎖模光纖激光器只能承受一定程度的非線性相移，高泵浦功率會導致腔內(nèi)脈沖分裂和多個脈沖共存，這種平衡導致幾個相同的脈沖（完全相同的強度，以及相同的光譜和時間分布）被捆綁起來，并在相鄰脈沖之間保持恒定的時間間隔和固定的相位差[37]。圖7 展示了摻鉺鎖模光纖激光器中束縛態(tài)孤子脈沖的輸出特性。其中圖7(a)為光譜圖，其中心波長為1 529.6 nm，輸出脈沖的光譜調(diào)制周期為3 nm；圖7(b)為束縛態(tài)孤子的輸出脈沖序列，脈沖間隔為159 ns；圖7(c)為束縛態(tài)脈沖輸出的射頻頻譜，從中可以看出其重復頻率為6.28 MHz；圖7(d)為利用雙曲正割曲線進行多峰擬合的自相關(guān)曲線，束縛態(tài)脈沖輸出具有3 個峰，表明諧振腔內(nèi)有兩個脈沖被束縛在一起進行傳輸。經(jīng)過測量，脈沖寬度為1.09 ps，兩個脈沖之間的間隔大小為2.6 ps。光譜調(diào)制周期與脈沖之間的間隔大小具有一定的關(guān)系，具體可以通過以下公式表示：

圖7 束縛態(tài)孤子輸出特性Fig.7 Output characteristics of bound-state soliton

式中：λc為光譜中心波長；Δt為脈沖之間的間隔大?。沪う藶楣庾V調(diào)制周期；c為真空光速。脈沖之間的間隔大小和光譜調(diào)制周期為反比關(guān)系。束縛態(tài)孤子脈沖是由Malomed 在擴展非線性薛定諤方程系統(tǒng)中理論上預測，并由Akhmediev 等人在復雜的Ginzburg-Landau 方程系統(tǒng)中研究而提出，其對于理解和探索鎖模光纖激光器的內(nèi)在物理機制具有重要意義，是光纖激光器中能夠觀察到的復雜非線性動力學現(xiàn)象，對于探索潛在的耗散性質(zhì)具有極大的幫助作用；同時，對于開發(fā)光纖傳輸線路中更大的通信容量具有積極的促進作用。此外，束縛態(tài)孤子脈沖在光纖通信、材料加工和相干脈沖疊加放大等多種領(lǐng)域中呈現(xiàn)出巨大的應用潛力。

表1 將本文所提出的CuO-SA 與基于其他過渡金屬氧化物納米材料SAs 的鎖模光纖激光器的性能進行了比較?？梢钥闯觯珻uO 的調(diào)制深度和飽和強度相對較高，可以與其他報道的SAs 相媲美。而且，CuO-SA 所演示的鎖模EDFL 的重復頻率、脈沖寬度和脈沖能量等參數(shù)與其他材料相比亦呈現(xiàn)明顯的優(yōu)勢。由此可見，CuO-SA 在超快光纖激光器中呈現(xiàn)極好的鎖模性能。并且，相較于其他過渡金屬氧化物，基于CuO-SA 的超快光纖激光器鎖模穩(wěn)定、性能優(yōu)良。

近年來，基于低維材料的超快光纖激光器由于其高性價比和優(yōu)良性能在醫(yī)療、材料加工和通信等領(lǐng)域備受關(guān)注。首先，在醫(yī)療方面，光纖激光器在激光手術(shù)和生物診斷方面顯示出巨大的優(yōu)勢。激光提供了一種非接觸的手術(shù)手段，光纖激光器輸出的低能量超短脈沖能夠快速消融腫瘤組織且對周圍組織的損傷相對較小，減少了光化學副作用，是激光外科手術(shù)的理想選擇。此外，光纖激光脈沖通過與內(nèi)窺鏡結(jié)合，利用激光熒光光譜法可實時診斷人體內(nèi)腫瘤組織，為癌癥的早篩查早發(fā)現(xiàn)提供了有效手段。在工業(yè)方面，光纖激光器在精密打孔和材料加工方面應用非常廣泛。激光加工過程中依靠光熱效應，屬于非接觸加工。激光束能量可以聚焦到很小尺寸，而且速度快，因此其熱影響區(qū)和變形很小，成本更低。在通信方面，光纖激光器因其可以實現(xiàn)更高速度的信號傳輸和更遠距離的信號傳遞而廣泛應用于通信領(lǐng)域。最重要的是，1.55 μm 波段的光纖激光器損耗很小，更易產(chǎn)生皮秒或飛秒量級的超短光脈沖，致使該波段的光纖激光器在光通信領(lǐng)域擁有不可替代的地位。

4 結(jié)論

本文搭建了緊湊的環(huán)形腔摻鉺全光纖激光器，采用液相沉淀法制備CuO 樣品，利用光脈沖沉積技術(shù)將制備的樣品沉積在錐形光纖腰部制成CuOSA 器件。將具有良好非線性吸收特性的CuOSA 器件與激光諧振腔耦合，成功在激光器中實現(xiàn)了穩(wěn)定的傳統(tǒng)孤子脈沖和束縛態(tài)孤子脈沖輸出。當泵浦功率為233.6 MHz 時，在中心波長1 530.2 nm處獲得了脈沖持續(xù)時間為1.23 ps 的傳統(tǒng)孤子脈沖序列，其3 dB 帶寬為3.4 nm，基本重復頻率為5.34 MHz，對應脈沖間隔為184 ns，激光器最大輸出功率為2.2 mW,脈沖能量為1.37 nJ。當泵浦功率達到329 mW 時，在中心波長1 529.6 nm 處首次獲得了穩(wěn)定的束縛態(tài)孤子脈沖，其光譜調(diào)制周期為3 nm，基本重復頻率為6.28 MHz，對應脈沖間隔為159 ns，脈沖寬度和脈沖分離度分別為1.09 ps 和2.6 ps。CuO 優(yōu)異的光學特性又一次證明了過渡金屬氧化物作為超短脈沖鎖模器件材料的廣闊發(fā)展前景。