基于单壁碳纳米管调Q锁模低阈值Tm,Ho:LiLuF4激光器∗

令维军 夏涛 董忠 左银艳 李可 刘勍路飞平 赵小龙 王勇刚

1)(天水师范学院激光技术研究所,天水 741001)

2)(陕西师范大学物理学与信息技术学院,西安 710062)

1 引 言

掺有三价稀土离子Tm3+,Ho3+的2µm波段固体激光器,具有效率高、结构紧凑、性能稳定、光束质量好等优点而备受关注.由于2µm在水分子吸收峰附近并处于大气的窗口波段,因此在空间通讯、医学手术、激光测距、激光雷达、大气环境监测、高分子材料加工等多方面应用前景非常广阔[1,2].近年来,随着可饱和吸收体技术的日趋成熟和新材料多样化,利用可饱和吸收体作为锁模启动元件成为2µm波段皮秒和飞秒全固态激光器主流研究方向之一.

从已报道的结果来看,目前在2µm波段实现皮秒或飞秒的主要可饱和吸收体为半导体可饱和吸收镜(SESAM)[3−7],但SESAM的制造过程非常复杂,成本昂贵,且其操作范围受到材料的限制,因此寻找新的可饱和吸收材料受到人们的重视.单壁碳纳米管可饱和吸收体(SWCNTSAs),制造工艺相对简单、成本低廉、内在的快捷恢复时间达到亚皮秒量级,且SWCNT-SAs具有金属或金属半导体性质,稳定的化学性质以及高的光学损伤阈值,吸收带宽通过多样的管径和手性被控制,宽的吸收特性涵盖0.8—2µm的近红外光谱.2004年,Set等[8]首次利用SWCNT-SAs在掺Er光纤激光器中实现了被动锁模;之后,文献[9—11]利用SWCNT-SAs在0.8,1.0,1.25,1.34,1.5,1.6和1.95µm固体激光器中实现了被动锁模.2µm波段固体锁模激光器中,2010年,Cho等[12]首次在Tm:KLuW晶体中利用SWCNT-SAs实现2µm波段固体激光器的被动锁模运转,目前获得的最短的掺铥介质锁模脉冲宽度141 fs就是采用SWCNT-SAs实现的[13].可见SWCNT-SAs作为可饱和吸收体具有潜在的应用优势.但截至目前,还没有一种成熟的、商业化的SWCNT-SAs,仅仅处于科研阶段,因此SWCNT-SAs材料的制作还需要人们不断地探索和努力.本课题组与王勇刚教授研究小组联合研究新可饱和吸收体材料在2µm固体激光器中锁模特性,2017年,我们报道了WS2-SAs材料在Tm,Ho:LLF(Tm,Ho:LiLuF4,Tm,Ho:LLF)晶体中的调Q锁模运转[14],Zhang等[15]利用Cr2+:ZnS-SAs在Tm,Ho:LLF晶体中实现调Q运转.本文研究SWCNT-SAs作为可饱和吸收体的Tm,Ho:LiLuF4全固态激光器的被动调Q锁模特性.

利用本课题组自行搭建的可调谐掺钛蓝宝石固体激光器作为2µm激光器的抽运源,其光束质量好,波长从720—850 nm可调,基本包涵掺Tm或Tm和Ho共掺激光晶体的其中一个或几个吸收峰,从而利用一台抽运源可对不同的掺Tm或Tm和Ho共掺激光晶体和可饱和吸收体材料进行研究,但作为抽运源的掺钛蓝宝石激光器成本昂贵,其成本与抽运光功率成正比例关系,如何在低抽运功率下实现2µm激光运转对于降低2µm光源价格具有实际意义.一般来说,设计低阈值腔[16−18]采用小曲率半径四镜腔,由于稳区的减小使得谐振腔调节难度加大,启动和维持锁模运转技术要求更高,所以很少报道低阈值运转的锁模激光器特性研究,尤其是在2µm固体激光器中至今尚未见有报道.

本文从低阈值理论出发,通过特殊的腔型设计,对比不同的输出耦合镜,结合自己制作的SWCNT-SAs材料,首次利用SWCNT-SAs在Tm,Ho:LLF固体激光器中实现低阈值调Q锁模自启动运转.采用1.5%,3%和5%的输出耦合镜,获得了出光阈值低至52,59和62 mW的连续光输出.采用3%输出耦合镜,获得了阈值低至250 mW的稳定调Q锁模脉冲输出,调Q包络的脉宽为2µs,最大输出功率为154 mW,调Q包络下锁模脉冲序列的重复频率为178.6 MHz,中心波长为1895 nm,调制深度接近100%.

2 SWCNT-SAs材料的制备

SWCNT-SAs材料采用垂直生长法制备,其过程如下:SWCNT的直径约为1.5 nm,长度分布为1—5µm,为了使单壁碳纳米管溶解到水中,经过了H2SO4/HNO3处理.将4 mg SWCNT粉末置于10 mL水中,先后经过超声及离心处理,制备出SWCNT水溶液.将溶液注入一个聚苯乙烯方盒中,将石英片沿对角线垂直放进盒中,静置两周,待溶液蒸发完后,取出石英片,SWCNT材料沉积在石英片的两侧,材料的浓度为4 mg/mL,如图1所示.

图1 SWCNT可饱和吸收体Fig.1.SWCNT saturable absorber.

图2 低阈值Tm,Ho:LLF被动锁模激光实验装置图Fig.2.The schematic diagram of experiment of low threshold Tm,Ho:LLF passively Q-switched modelocking laser.

3 实验装置

低阈值Tm,Ho:LLF被动锁模激光实验装置如图2所示,实验采用的Tm,Ho:LLF激光晶体以布儒斯特角进行切割,对两个通光端面进行抛光,铥(Tm3+)和钬(Ho3+)离子的掺杂浓度分别为5%和0.5%,尺寸3 mm×3 mm×8 mm.用铟箔包裹激光晶体后夹持在紫铜冷却片内,实验过程中采用8°C恒温循环水冷系统对紫铜晶体夹进行冷却,达到冷却激光晶体的效果.抽运源为可调谐的掺钛蓝宝石固体激光器,通过腔内双折射滤光片可将输出波长调谐到780.5 nm,正好对应该激光晶体在720—850 nm波长范围内一个强吸收峰.腔型为五镜腔系统,不同于以往设计的腔型,我们将聚焦透镜L2的焦距选为100 mm.抽运平凹镜M9和M10的凹面曲率半径分别为50 mm和75 mm,其对770—1050 nm波长抽运激光透过率大于95%,对1800—2075 nm波段的反射率大于99.9%.M11为输出耦合镜,聚焦平凹镜M12的凹面曲率半径为100 mm,对1800—2075 nm波长反射率大于99.9%,M13为平面高反镜,对1800—2075 nm波长反射率大于99.9%.使振荡光在激光晶体中的光斑更小,很大程度上降低了启动锁模阈值功率.利用激光腔模ABCD矩阵模拟振荡光斑,可以计算出晶体中最小光腰半径为20µm.SWCNT-SAs位于M12焦点附近,表面光束半径约为28µm,易于获得高的功率密度启动锁模运转.

4 实验结果分析与讨论

采用上述光路设计,如图3(a)所示.实验发现,在激光运转和非运转状态下,激光晶体对振荡光具有不同的吸收率,并且发现当激光处于运转状态时,不同的输出镜对应的晶体吸收效率也略有不同.当腔内无激光运转时,激光晶体的吸收效率为33.61%;当腔内实现连续光运转时,选用1.5%的输出耦合镜,激光晶体的吸收效率为59.42%,选用3%和5%的输出耦合镜,激光晶体的吸收效率约为63.6%;当腔内插入SWCNT-SAs时,选用1.5%和3%的输出耦合镜,激光晶体的吸收效率为55.3%,得出腔内引入SWCNT-SAs增加腔内损耗,降低了激光晶体吸收效率.

图3(b)显示了不同吸收功率下连续运转和调Q锁模运转激光输出功率与抽运功率的关系.在激光腔长度不变的情况下,模拟了晶体中振荡光斑大小,对于标准腔(M9=M10=100 mm)晶体中光斑为44µm,对我们设计的低阈值腔对应的晶体中振荡光斑为20µm,相对于标准腔设计光斑面积减少了(44/20)2,即4.84倍.这样腔内的激光强度增加了4.84倍,在同样的出光强度下,大幅的降低了激光运转阈值.为了实现低阈值腔与抽运光的模式匹配,我们采用一个焦距为f=100 mm的聚焦透镜,其聚焦光斑约为12µm,对应的抽运系数约为0.6,这个值接近于激光效率最高的、最优化的抽运系数0.5[18].当腔内实现连续光运转时,选用1.5%,3%和5%输出耦合镜时,出光阈值分别低至52,59和62 mW,实现了激光低阈值运转,斜效率分别为31.02%,39.16%和43.78%,输出最高功率分别为645,828和940 mW.当腔内插入SWCNT-SAs时,首先选用1.5%的输出镜,此时出光阈值低至85 mW,但激光器最大输出功率仅为70 mW;选择3%的输出耦合镜,实现了出光阈值低至99 mW,当吸收抽运功率为250 mW时,实现了稳定的调Q锁模运转,输出最高功率为154 mW,斜效率分别为8.47%;采用5%的输出镜,由于腔内损耗过大,无法实现调Q锁模运转.所以调Q锁模运转时,选用3%输出镜输出功率比1.5%输出镜高出2倍多,但阈值相差仅仅14 mW,所以我们在调Q锁模运转时主要选用3%输出镜.图中对应的功率曲线并没有达到饱和,由于我们的抽运光功率有限,相信后期提高抽运功率将有望得到连续锁模的结果.

图3 (a)晶体吸收效率;(b)连续光和锁模输出功率随吸收抽运功率的变化Fig.3.(a)The change chart of crystal absorption effi ciency;(b)the change chart of the average output power of continuous wave and mode locking with absorbed pump power.

锁模脉冲的光谱通过光谱分析仪(AvaSpec-NIR256-2.5 TEC)测量得到,如图4所示,输出调Q锁模光的中心波长为1895 nm,光谱的半高宽为18 nm,按照傅里叶变换极限理论,双曲正割脉冲时间带宽积为0.315,在1895 nm处理论上支持210 fs的超短脉冲.通过2µm快速光电二极管(ET-5000)连接500 MHz的数字示波器(RIGOL,DS4054)探测调Q锁模脉冲序列.图5分别是扫描时间为1µs和10 ns所获得的调Q锁模脉冲序列,测得调Q包络的脉宽为2µs,调Q包络下锁模脉冲的频率为178.6 MHz,由锁模包络可以看出锁模脉冲的调制深度接近100%.通过锁模重复频率理论公式f=C/2L(C为光速,L为振荡腔的长度),可以算出实验中所用的腔长满足所测得重复频率,最大的单脉冲能量为0.86 nJ.

图4 锁模光谱图Fig.4.The emission spectrum of the mode locking laser.

图5 扫描时间为1µs和10 ns的锁模脉冲序列Fig.5.Mode-locked pulse trains recorded in 1µs and 10 ns per division(div)time scales.

实验中采用商业自相关仪(APE,pulse check 50)测量脉冲宽度,该自相关仪可测量的最大脉冲宽度为35 ps,由于实际的脉冲宽度比35 ps要宽,所以没有测量到准确的脉冲自相关踪迹.利用公式(tm为被测锁模脉冲上升沿时间,tr为实际锁模脉冲上升沿时间,tp为光电探测器上升沿时间,to为示波器上升沿时间)可估算锁模脉冲的宽度[19].实验中被测锁模脉冲上升沿时间约960 ps,光电探测器上升沿时间为35 ps,利用to×WB=0.35−0.4(WB为示波器的带宽,实验中示波器的带宽为500 MHz)可估算试验中to=800 ps,因此可计算实际锁模脉冲上升沿时间为530 ps,由于脉冲宽度约等于上升沿时间的1.25倍,故实际锁模脉冲宽度约为663 ps.通过提高抽运功率,降低SWCNT材料的损耗,有望实现连续锁模脉冲,得到更加窄的脉冲宽度.

5 结 论

综上所述,本文采用低阈值谐振腔设计,首次将SWCNT-SAs用于Tm,Ho:LLF全固态激光器中实现了低阈值调Q锁模运转.分别用1.5%,3%和5%的输出耦合镜,获得了出光阈值低至52,59和62 mW的连续光输出,输出最高功率分别为645,828和940 mW.采用3%输出耦合镜,引入SWCNT-SAs,实现了出光阈值低至99 mW,获得了阈值低至250 mW的稳定调Q锁模脉冲输出,中心波长为1895 nm,输出最高功率为154 mW,调Q包络的脉宽为2µs,最大输出功率154 mW,调Q包络下锁模脉冲重复频率178.6 MHz,最大的单脉冲能量为0.86 nJ,调制深度接近100%.实验表明,SWCNT可作为2µm波段很有竞争力的锁模启动元件.后期我们将提高抽运光功率,优化SWCNT材料的质量,在腔内进行色散补偿,可望实现稳定连续锁模运转,获得飞秒量级的锁模超短脉冲输出.

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