基于层状WS2调制激光泵浦的光学参量振荡中红外运转特性*

王静 逄金波 郭鹤泽 胡新宇 周承辰 唐文婧 蒋锴 夏伟††

1) (济南大学物理科学与技术学院,济南 250022)

2) (济南大学前沿交叉科学研究院,济南 250022)

光学参量振荡器是重要的中红外相干光源.近年来,在激光调制方面,二维过渡金属硫化物展现了非线性可饱和吸收特性,因此有望成为光学参量振荡器基频激光的优良调制元件.本工作中,首先,实验测量了层状二硫化钨(WS2)调制固体激光的输出特性.其次,结合主动声光Q开关,实现了主被动双调Q 光参量振荡的运转,得到了纳秒脉冲宽度的中红外脉冲,并研究了WS2对光参量转换的优化特性,发现WS2纳米片除了能够压缩脉冲、提高峰值功率外,还能缓解单主动调Q 光学参量振荡器中的“输出饱和下降”现象,这种现象可能起因于砷酸钛氧钾 (KTiOAsO4,KTA)的制冷不均匀.WS2的可饱和吸收效应能够显著压缩光斑,减少高斯光斑的边缘能量,因此能够缓解KTA的温度梯度分布,从而优化输出特性.最后,基于WS2的非线性透过率曲线,考虑非均匀展宽机制和大信号下的非饱和吸收,计算了WS2的可饱和吸收特性参数,并求解了层状WS2调制光学参量振荡器的速率方程组.本文在实验上展示了二维过渡金属硫化物对激光非线性频率变换的优化效果,尤其是对热效应的缓解;同时,为二维材料调制激光的动力学模拟提供了参数依据.

1 引言

3—5 µm中红外激光位于大气传输窗口和分子振动的“指纹区”,在医学、军事、民用、科学研究等方面应用广泛,成为近几年国内外研究的热点.在1 µm基频激光的抽运下,光学参量振荡器(optical parametric oscillator,OPO)能够输出3—5 µm波段闲频光,成为重要的中红外相干光源[1−3].相比于外腔OPO,内腔光学参量振荡器(intracavity OPO,IOPO)能够充分利用基频激光的腔内光子数密度,实现高转换输出.对于IOPO,短脉宽、高峰值的调Q基频激光脉冲有利于进一步提升效率[4,5].影响IOPO非线性转换的另一个重要因素是基频光脉冲序列稳定性.因此,基频激光器Q开关的稳定工作和脉冲压缩性能对IOPO具有重要意义.在各种调Q方法中,声光(acousto-optic,AO)或电光主动调Q可以获得一定重复频率的可控脉冲,但其脉冲宽度通常较宽.与主动调Q激光器相比,采用可饱和吸收体(saturable absorber,SA)的被动调Q激光器可以产生较短的脉冲宽度.到目前为止,已经有许多种SA被用于获得不同波长的Q开关脉冲[6−9].在这些SA中,二维(two-dimensional,2D)过渡金属二硫化物(transition metal dichalcogenide,TMDC)具有层数依赖的带隙结构,能够实现近红外波段的激光调制,被认为是很有前途的光调制器[10−12].将二维TMDC SA应用于单主动调Q激光,能够在脉宽、峰值功率和运转稳定性等方面实现显著优化[13−15],因此,基于TMDC的主被动双调制激光抽运的OPO有望在实验上实现更高效率、更好稳定性的参量光输出[16,17].

动力学速率方程能够有效预测OPO的运转特性[18,19],是模拟输出结果的理论工具.对调Q的内腔OPO来说,基频激光脉冲是信号光和闲频光的增益源,因此,在建立IOPO的动力学模型时,要重点考虑基频激光的调制过程.对于主被动双调制IOPO的速率方程求解来说,SA的可饱和吸收参数是必备的,包括基态和激发态吸收截面、激发态能级寿命、初始基态粒子数密度等.然而,由于2D TMDC的能级结构正在研究中[20−22],很少有关于其可饱和吸收参数的报道,因此,难以实现TMDC调制激光速率方程的求解.目前,国际上对二维TMDC调制激光器的研究,主要集中在实验工作上,结合动力学理论分析的研究工作较少.

本文首先自制3.5 nm厚的WS2SA,并对其进行表征,尤其是非线性透过率的测量和拟合;其次,在实验上依次实现WS2SA调Q制的1.06 µm激光、单AO调Q的IOPO以及基于WS2SA和AO的主被动双调Q中红外IOPO,并分析WS2SA的优化特性;最后,基于测量的非线性透过率,给出了估算2D-WS2SA可饱和吸收参数的方法,对WS2+AO主被动双调制激光抽运的OPO进行动力学建模,并通过计算机编程,数值求解了速率方程.

2 层状WS2 SA的制备、表征和非线性透过率测量

WS2SA的制备采用电子束蒸发(e-beam evaporation,EBE)和退火硫化的方法.首先采用电子束蒸发法在蓝宝石基片上生长约2 nm厚的钨层薄膜,将带有钨膜的蓝宝石片置于800 ℃硫蒸气中退火,最终得到1.4 cm×2 cm尺寸的层状WS2纳米片.

合成材料的特性如图1所示.图1(a)中,采用532 nm的激光和光探测器测量了材料的拉曼光谱,观察到两个特征峰:A1g(417 cm–1)和E12g(350.5 cm–1).其中,A1g模与S原子的平面外运动有关,反映了层间的耦合.据报道,WS2体材料的A1g模峰值约在422 cm–1处,而我们的实验中获得了约5 cm–1的红移,验证了样品的层状结构[23−25].图1(b)测量了A1g模式强度的拉曼映射图像,其强度的微小变化表明合成WS2的高度均匀性[26].在图1(c)中,使用CX23型光学显微镜(Olympus,日本)测量了合成样品的光学显微照片,其颜色对比度表明了WS2的少数层结构[27].图1(d)给出了WS2的原子力显微镜(AFM,Bruker)的观察结果.考虑到单层WS2的厚度约为0.8 nm[28],从高度剖面分析的3.5 nm厚度表明,材料具有约4层的二维纳米结构,与上述拉曼光谱和光学显微照片的分析结果一致.

图1 WS2纳米片的表征 (a) 532 nm激光激发的拉曼光谱;(b) A1g模峰值强度的拉曼映射;(c)光学显微光谱;(d)原子力显微镜成像Fig.1.Characterization of WS2 nanosheet:(a) Raman spectrum collected with excitation laser of 532 nm wavelength;(b) Raman mapping of peak intensity at A1g mode;(c) optical microscopy;(d) atomic force microscopy.

采用双光路功率扫描法测量了WS2纳米片的非线性吸收曲线,实验设置和测量结果如图2所示.光源采用声光调制的1064 nm脉冲激光,在抽运功率为2.4 W,脉冲重复率为15 kHz时,输出1064 nm波长的脉冲宽度为109 ns,平均输出功率为389 mW.通过对测得的透过率曲线进行非线性拟合,可以得到WS2纳米片的非饱和吸收损耗(αs)约为8.826%,小信号透过率(T0)为78.471%,饱和透过率(Tsat)为91.174%,于是调制深度(ΔT)计算为12.703%,饱和功率密度(Isat)拟合为1.06793 MW/cm2.在低功率密度情况下,透过率和峰值能量密度近似成线性关系,通过拟合可以得到其斜率k约为3.18146[28,29].

图2 功率扫描法测量WS2纳米片的透过率 (a)实验装置;(b)非线性透过率曲线;(c)低功率密度下的线性拟合Fig.2.Measurement of nonlinear transmittance for WS2 SA by use of the double optical path method:(a) Experimental setup;(b) nonlinear transmission;(c) linear relation for low-power density.

3 实验装置与实验结果

3.1 WS2 SA被动调Q的1.06 µm固体激光

基于少层WS2的可饱和吸收性质,实验测量了WS2纳米片被动调Q1.06 µm激光的输出特性(图3).图3(a)是实验设置图,其中,以具有400 µm芯径的1∶1光纤耦合的808 nm半导体激光器作为泵浦源(Pluto5,洛芙科技,中国);激光晶体采用3 mm × 3 mm × 5 mm的Nd3+∶YVO4,掺杂率为0.6 % (原子含量),晶体两个端面镀有1.06 µm的增透膜;输入镜曲率半径为200 mm,镀有808 nm增透和1.06 µm高反膜;输出镜为平镜,对1.06 µm激光具有25%的耦合输出.

在1.4—3.0 W的泵浦功率下,实验记录了脉冲激光的输出特性,如图3(b)—(e)所示.图3(b)显示了平均输出功率,激光运转的阈值为1.4 W,实验中获得的最高平均功率为650 mW;图3(c)是WS2SA调制的脉冲宽度,实验中的最小脉宽约为684 ns;输出激光的脉冲重复率如图3(d)所示,它随着输入能量的升高而升高,在抽运功率3 W下,得到实验中最大的脉冲重复率约为259 kHz;在图3(e)中,计算了脉冲的峰值功率,在3 W抽运功率下,脉冲的最大峰值功率约为3.7 W,此时单脉冲能量为2.51 µJ.

图3 WS2 SA被动调Q的1.06 µm激光 (a)实验装置;(b)平均输出功率;(c)脉冲宽度;(d)脉冲重复率;(e)峰值功率;(f) WS2调Q、1.06 µm脉冲波形;(g) WS2+AO调Q的1.06 µm脉冲波形,fp=15 kHzFig.3.WS2 SA passively Q-switched 1.06 µm laser:(a) Experimental setup;(b) average output power;(c) pulse width;(d) pulse repetition rate;(e) peak power;(f) temporal pulse train from WS2 Q-switched 1.06µm laser;(g) temporal pulse train from WS2+AO Q-switched 1.06 µm laser,fp=15 kHz.

由图3(b)—(e)可以看出,尽管1.06 µm激光的光子能量小于少层WS2的禁带宽度(>1.3 eV),但在我们的实验中,WS2纳米片仍然展现出对1 µm激光的可饱和吸收效应,这可能归因于缺陷态、边缘态和双光子吸收等机制[30,31].

在泵浦功率为3 W时,测量了输出的时域脉冲序列.图3(f)给出了WS2单被动调Q的1.06 µm脉冲波形,为了评价脉冲的峰-峰值抖动,计算得到脉冲幅度的标准差(standard deviation,SD)约为0.8216.

OPO的高转换依赖于高峰值功率的、稳定的基频激光,由图3可以看到,WS2SA单调制1.06 µm脉冲的峰值功率为瓦特量级,峰-峰幅度的SD接近1,具有较低的峰值功率和较高的峰值抖动,不利于以KTA为非线性介质的OPO参量转换.因此,在图3(a)的基础上,引入声光调制器来管理开关时间,以减小脉冲抖动和提高峰值功率.在抽运功率为3 W,脉冲重复率为15 kHz时,得到WS2+AO调Q的1.06 µm脉冲波形,如图3(g)所示,其SD约为0.01421.

3.2 WS2 SA+AO 调Q IOPO的中红外运转

WS2+AO 主被动双调QIOPO的实验装置如图4所示.非线性转换晶体采用II类相位匹配的KTA晶体(切割角度θ=90°,φ=0°),长度为2.5 cm,两端面镀有1.06,1.53和3.40 µm的增透膜;激光晶体和非线性晶体均采用铜块水冷,温度严格控制在20 ℃;声光调制器(I-QS041-2S4GU5-ST1,Gooch&Housego,英国)的调制频率fp选取15和25 kHz,声光晶体的厚度为47 mm,两端均镀有1.06 µm的增透膜;激光晶体、非线性晶体和WS2SA均置于五维精密调整架上(7SWM0501,赛凡光电,中国).凹面镜M1即为图3中的输入镜;平面镜M2镀有1.06 µm增透和3.4 µm高反膜;平面镜M3作为输出镜,镀有1.06 µm高反、1.53 µm增透和3.4 µm部分反射膜(透过率为T=20%).M1和M3构成了1.06 µm基频激光谐振腔,腔长为10 cm;M2和M3构成了闲频光单谐振的OPO腔,腔长为2.8 cm.

图4 少层 WS2+AO调制KTA IOPO的实验装置图Fig.4.Few-layer WS2+AO modulated KTA IOPO.

采用MAX500AD型号功率计(Coherent Inc.,U.S.A.)测量激光脉冲的平均输出功率;为了探测基频光、信号光和闲频光的时域波形,采用响应时间小于1 ns的光电探测器,型号分别为:DET10A/M (Thorlabs,U.S.A.),DET08C/M (Thorlabs,U.S.A.),PVI-3TE-6-1 × 1-T08-BaF2 (Vigo,波兰),脉冲波形采用TDS620B型示波器记录(Tektronix,U.S.A.);三光的光谱信息采用 MS9710C型(Anritsu,日本,分辨率为0.1 nm)和7ISU301型(赛凡光电,中国,分辨率为0.05 nm)光谱仪记录;基频激光的横向能量分布由M2MS型光束质量分析仪测定(Thorlabs,U.S.A.).

在图5中,测量了输出端M3处的参量光光谱,由图5可以看出,基频光、信号光和闲频光的中心波长分别为1064.4,1536.0,和3466.95 nm,三光波长符合参量下转换的能量守恒定理:hνf−hνshνi,其中,νf,νs和νi分别为基频光、信号光和闲频光的频率.

图5 基频光(a)、信号光(b)和闲频光(c)的光谱Fig.5.The spectra of the fundamental (a),signal (b),and idler (c) light.

从图6可以看出WS2纳米片对3466.95 nm波长中红外IOPO运转的优化效果.为了便于比较,图6(a)—(d)测量了没有WS2SA时声光单调QIOPO闲频光的输出特性;图6(e)—(f)测量了WS2SA+AO调QIOPO闲频光的输出特性.图6(a),(e)给出了调QIOPO闲频光的平均输出功率.值得注意的是,图6(a)中,没有WS2SA时,AO单调QIOPO的中红外输出功率(Pout)随着泵浦功率(Ppump)的提升趋于饱和,并在Ppump=10 W (fp=15 kHz),10.6 W (fp=25 kHz)时达到最高输出,随着Ppump的进一步提升,Pout快速下降,这种“输出饱和下降”的现象可能是由于实验中KTA晶体的制冷不均匀引起的[32−34].基于KTA的OPO走离角和有效非线性系数如图7(a)所示[35,36],对II类相位匹配KTA晶体来说,θ90°保证了最小的走离角和最大的转换效率.实验中,KTA晶体的制冷边界与振荡光束中心之间产生温度梯度分布,从而产生折射率的梯度变化,使振荡光束中非中心入射光线的传播方向朝光轴弯曲,Q90°,降低转换效率[37].

在图6(e)中,虽然WS2的插入损耗使得WS2SA+AO 调QIOPO的中红外输出要低于单AO调QIOPO,但也消耗了基频激光的光子数密度,降低了KTA处的热效应.另外,在图7(b),(c)中测量了1.06 µm基频光束光斑.可以看到,加入WS2后,除了光束质量得到了提高,光束半径也被显著压缩,这可能是由于WS2的可饱和吸收效应消耗了高斯光束的边缘部分能量,使光束能量集中于中心位置,缓解了“输出饱和下降”现象.需要说明的是,当Ppump>11.2 W后,即使WS2能够压缩光斑,WS2SA+AO IOPO的输出也会出现饱和,因此SA的加入实际上是延缓了输出饱和现象的出现.

图6 调Q IOPO的中红外闲频光输出特性 (a),(e)平均输出功率;(b),(f)输出脉冲宽度;(c),(g)峰值功率;(d),(h)输出脉冲序列.(a)—(d) AO单调Q IOPO的输出结果;(e)—(h)WS2 SA+AO 双调Q IOPO的输出结果Fig.6.Output characteristics of Q-switched IOPOs:(a),(e) Average output power;(b),(f) pulse width;(c),(g) peak power;(d),(h) pulse train;(a)–(d) output of AO Q-switched IOPO;(e)–(h) output of WS2 SA+AO Q-switched IOPO.

图7 (a)走离角、有效非线性系数与相位匹配角θ的关系;(b) AO单调Q的 1.06 µm基频光的光斑,高斯光束质量因子=3.02,=2.19,光束半径为798 µm;(c) WS2+AO双调Q的 1.06 µm基频光的光斑,高斯光束质量因子=1.69,=1.51,光束半径为451 µm Fig.7.(a)Walk-off angle anddeff versus θ;(b)1.06 µm fundamental-light beam from AO Q-switched laser,=3.02,=2.19,beam radius of798 µm;(c)1.06 µm fundamental-light beam from WS2+AOQ-switched laser,=1.69,=1.51,beam radius of 451 µm.

图6(b),(f)中测量了3466.95 nm输出脉冲的时域宽度.可以看到,15 kHz调制频率的脉冲宽度要略低于25 kHz的.当泵浦功率为最大值11.2 W,脉冲重复率为15 kHz时,AO 单调制的最小脉冲宽度为4.17 ns,而WS2SA+AO 调QIOPO的最小脉冲宽度为1.42 ns.由此可见,由于WS2的可饱和吸收作用,中红外输出脉冲被压缩了约67%.

基于平均输出功率和脉冲宽度,在图6(c),(g)中计算了中红外峰值功率.在图6(c)中,由于“输出饱和下降”,峰值功率随着泵浦的提升而趋于饱和,随后缓慢下降;而在图6(d)中,由于WS2的插入损耗和可饱和吸收特性,WS2SA+AO IOPO的中红外输出峰值功率快速提升,在Ppump=11.2 W,fp=15 kHz时,得到实验中的最高峰值功率为3.26 kW,比AO单调制情况下提升了约1.91倍.

图6(d),(h)记录了Ppump=11.2 W,fp=15 kHz时的闲频光脉冲序列.图6(d)中脉冲抖动的SD约为9.42%,而图6(h)中的SD约为1.92%,因此,WS2SA使脉冲峰值稳定性提升了约79.62%.

4 动力学理论分析

基态吸收截面σg,激发态吸收截面σe,基态初始粒子数ny0和激发态粒子寿命τy是反映SA可饱和吸收的重要特性参数,也是动力学方程求解的必备参数.在之前的工作中[16,17],基于脉冲光峰值能量密度与传播距离的微分方程,得到了小信号和大信号近似下透过率与吸收的关系,从而求出了可饱和吸收参数.然而,在大信号近似下,SA对光的吸收降低,除了需要考虑材料饱和吸收外,还应考虑非饱和吸收.因此,基于之前工作,可将饱和透过率的计算公式修正为

根据修正公式,考虑非均匀加宽机制,对3.5 nm厚WS2片的可饱和吸收参数计算值如表1所示,这些计算值与其他报道相符,符合TMDC的典型值范围[38,39].

表1 实验制备3.5 nm WS2 SA可饱和吸收特性的关键参数Table 1.The key parameters for saturable absorption properties of 2D-WS2 SA.

基于基频光、信号光和闲频光的光子数密度变化规律,考虑基频光增益介质的翻转粒子数密度和SA可饱和吸收上能级的粒子数密度变化,建立主被动双调QIOPO的速率方程组(2)—(6)[16,40].

其中,Ej(t) (j=p,s,i) 是基频光、信号光、闲频光的电场振幅;n(t) 是增益介质的翻转粒子数密度;ny1(t) 是SA的激发态粒子数密度.其他参数的物理意义及数值见表2所示.

基于表1和表2的参数值,编程数值求解速率方程(5)—(6),拟合结果如图8所示.图8(a)—(c)是Ppump=11.2 W,fp=15 kHz时,WS2+AO调QIOPO基频光、闲频光和信号光的波形,图8(d)—(f)是AO单调QIOPO的三光波形,以作对比.由图8可以看出,速率方程的计算值与实验值拟合得较好;无论在理论还是实验上,WS2纳米片的可饱和吸收特性使三光的脉冲持续时间均得到了压缩.

表2 速率方程中的其它参数Table 2.The other parameters in rate equations.

图8 Ppump=11.2 W,fp=15 kHz时,基频光、闲频光、信号光的时域波形 (a) WS2+AO调Q IOPO的基频光波形;(b) WS2+AO调Q IOPO的闲频光波形;(c) WS2+AO调Q IOPO的信号光波形;(d) AO调Q IOPO的基频光波形;(e) AO调Q IOPO的闲频光波形;(f) AO调Q IOPO的信号光波形Fig.8.Temporal pulses of fundamental light,idler light,and signal light at Ppump=11.2 W,fp=15 kHz:(a) Fundamental pulse from WS2+AO Q-switched IOPO;(b) idler pulse from WS2+AO Q-switched IOPO;(c) signal pulse from WS2+AO Q-switched IOPO;(d) fundamental pulse from AO Q-switched IOPO;(e) idler pulse from AO Q-switched IOPO;(f) signal pulse from AO Qswitched IOPO.

5 结论

本文首先采用EBE和退火硫化的方法制备了3.5 nm厚的WS2纳米片,并对其性能进行了表征,重点测量、拟合了反映其可饱和吸收特性的非线性透过率;其次,将制备的WS2纳米片用于1.06 µm的固体激光调制,实验测量了其输出特性,发现虽然1.06 µm波长光子不足以激发少层WS2的本征跃迁,但是WS2仍然能够对1 µm激光实现可饱和吸收调制;实验测量了WS2+AO调QIOPO的中红外输出特性,发现WS2对调QIOPO闲频光的优化作用:缓解了“输出饱和下降”的问题、压缩了脉冲宽度、提高了峰值功率;最后,在之前工作的基础上,考虑大信号近似下的非饱和吸收损耗,修正了SA可饱和吸收参数的理论计算方法,并将计算的WS2纳米片参数值用于动力学研究,数值求解了基于WS2SA的中红外IOPO速率方程,理论值与实验值符合得较好.