超快激光制造技术实验教学平台的建设与探索

云 灵,崔玉栋

(1. 南京邮电大学 电子与光学工程学院、柔性电子(未来技术)学院, 江苏 南京 210023;2. 浙江大学 光电科学与工程学院, 浙江 杭州 310058)

培养具有工程实践和创新能力的综合科技人才是高等院校的使命[1-2]。实验教学作为高等教育结构体系中的重要组成部分,在本科生工程实践和创新能力的培养中起到关键作用[3-4],因此紧跟世界前沿科技积极进行实验教学的建设与探索意义深远。随着激光原理与技术、光纤通信系统以及光电子器件等课程对光电信息科学与工程专业激光制造类实验教学提出的要求越发严格,加强实验教学硬件建设是高等工程教育改革的核心内容之一。

高能量超快激光的电场强度强、能量密度高、时间尺度小,在光纤通信、激光微加工、精密测量、数据存储、生物成像以及国防军事等方面具有重大的应用价值[5-7]。目前,部分高校的激光制造类实验教学设备复杂笨重、故障率高、占地面积大、集成度低,难以进行组合扩展以及技术的升级改造。在新技术层出不穷的今天,传统的实验教学设备已经不能满足新形势下“新工科”的实验教学需求。针对上述不足,本文将结合科技前沿的高能量超快光纤激光器引入到实验教学中,设计了超快激光制造技术实验教学平台,深入研究硫化铅量子点的可饱和吸收特性,建立相应的理论模型,制备硫化铅量子点可饱和吸收体,借助获得的可饱和吸收体搭建相应的超快光纤激光系统,从而实现稳定的高能量超快激光输出。在整个实验过程中,学生需参照实验的具体内容,对实验平台予以灵活的设计和创建,最后,对实验结果实施科学而准确的数据处理剖析,详尽撰写实验报告,不仅可以加强学生对于基本概念和原理的理解,促进各知识点之间的融会贯通,使学生的工程创新综合素质得以显著优化,还可有效地培育并提升学生的创新能力,为学生今后参与科学研究活动和产品研发设计奠定基础。

1 实验教学平台框架

实验教学平台的功能主要围绕实验教学内容进行设计,同时也要满足实验教学不断革新的需求[8]。根据光电信息科学与工程专业光电类课程的教学内容,把课程内具有代表性的超快激光制造技术以及与其密切相关的测试手段引入到实验教学平台中,尽可能满足光电类课程的实验教学需求。基于此,本文提出了如图1所示的实验教学平台总体框架。

图1 实验教学平台框架Figure 1. Framework of experimental teaching platform

该框架由硫化铅量子点制备与表征、可饱和吸收特性测试与分析、可饱和吸收体设计与研制、超快光纤激光系统搭建与测试4部分组合在一起,构成了综合型超快激光制造实验教学平台。具体实验包括:热注入法制备硫化铅量子点、对硫化铅量子点进行基本的物理化学表征、探究硫化铅量子点具备的非线性光学特性、剖析每个参数对可饱和吸收性能产生的具体影响、建立可饱和吸收的物理模型、滴涂法制备硫化铅量子点可饱和吸收体、设计并创建可饱和吸收体锁模光纤激光器、测试输出脉冲特性、借助色散技术和非线性管理技术对超快光纤激光系统予以改进和优化、改变泵浦和偏振等参数优化超快激光性能等。该综合实验通过研究硫化铅量子点的可饱和吸收特性,研制出调制深度值大、损伤阈值高、弛豫时间快的优质可饱和吸收体,实现基于该可饱和吸收体的高性能超快激光输出。另一方面,通过实验训练,可以培养学生的创新思维、动手实践能力以及分析和解决问题的能力。

2 实验教学平台内容

该实验教学平台的具体内容是:1)采用热注入法合成硫化铅量子点溶液;2)通过透射电子显微镜、X射线衍射仪、分光光度计表征硫化铅量子点的基本物化特性;3)利用光纤熔接机搭建双光路探测系统并研究硫化铅量子点的非线性光学特性;4)通过MATLAB建立可饱和吸收的物理模型,对实验数据进行数值模拟,描绘硫化铅量子点的可饱和吸收特性曲线,获得硫化铅量子点的调制深度、饱和阈值功率、非饱和吸收损耗等数值;5)使用标准单模光纤和法兰盘通过滴涂法研制基于硫化铅量子点的可饱和吸收体;6)通过光纤熔接机将各无源/有源器件连接,设计并搭建基于该可饱和吸收体的超快光纤激光系统;7)使用光谱仪、自相关仪、示波器、频谱分析仪、光电探测器以及光功率计探测该激光系统输出脉冲的时域、频域和功率特性。具体实验过程和结果如下所示。

2.1 材料制备与表征

实验试剂和实验仪器如表1和表2所示。实验采用热注入法合成硫化铅量子点[9]。将450 mg氧化铅、30 mL十八烯以及10 mL油酸添加到250 mL的三颈烧瓶内予以不间断搅拌,基于真空条件下对其进行加热处理,令温度上升至120 ℃,反应时间保持在50 min来制备铅源。将32 mg硫粉和10 mL油胺混合,加热到90 ℃制备硫前驱体。将所得的硫前驱体在氩气环境保护下,通过注射器快速注入到含铅源的烧瓶中,加热到120 ℃,反应1 min之后通过冰水浴快速冷却至室温。用环己烷溶液对所得的硫化铅量子点实施分离纯化处理,离心机离心时间为5 min,反复进行3次。将制备获得的硫化铅量子点基于真空环境下干燥,最后重新溶解在环己烷溶液中。

表1 实验试剂Table 1.Experiment reagent

表2 实验仪器Table 2.Experimental apparatus

借助透射电子显微镜对硫化铅量子点的基本形貌进行表征,结果表明硫化铅量子点具有良好的分散性,呈球形。计算可得其平均粒径约为6.5 nm。通过X射线衍射仪分析硫化铅量子点晶体结构可知,硫化铅量子点在25.163 1°、29.142 6°、41.673 1°、49.346 5°、51.591 4°和67.672 8°的主要衍射峰分别为立方晶体硫化铅的(111)、(200)、(220)、(311)、(222)和(420)面。所测得的X射线衍射谱图与标准硫化铅相同[10],没有氧化铅或其他前驱体存在,说明实验制备的硫化铅量子点纯度较高。借助分光光度计对硫化铅量子点对应的线性吸收光谱进行表征,图2为热注入法制备的硫化铅量子点从900 nm到1 700 nm的线性吸收光谱,吸光度随着波长增加而减小,且在1 500 nm处有一个明显的吸收峰。

图2 硫化铅量子点吸收光谱Figure 2. Absorption spectrum of lead sulfide quantum dots

2.2 可饱和吸收特性测试与分析

可饱和吸收是指随着入射光强度的增加,物质对光的吸收降低的一种现象[11]。利用双光路探测技术[12]研究硫化铅量子点的可饱和吸收特性,实验装置如图3(a)所示。在实验中,飞秒激光经过分束器后产生两路脉冲,其中一路光脉冲与硫化铅量子点相互作用而另一路光脉冲直接通过。利用衰减器调节输入光强并分别记录两路输出脉冲的功率,从而建立硫化铅量子点吸收特性与输入光强之间的关系。根据实验结果和二能级系统的吸收、跃迁理论,建立了快速可饱和吸收所对应的物理模型,与之对应的透过率函数表达[13]为

(a)

(b)图3 硫化铅量子点可饱和吸收特性测试(a)双光路探测系统 (b)可饱和吸收曲线Figure 3. Measurement of saturable absorption characteristics of lead sulfide quantum dots(a)Double optical path detection system (b)Saturable absorption curve

α(I)=αns+α0/(1+I/Isat)

式中,α(I)表征材料的吸收系数;α0表征调制深度;αns表征非饱和吸收损耗;Isat表征饱和阈值功率。图3(b)为硫化铅量子点的可饱和吸收曲线,可以看出,随着入射光功率的增大,材料的光透过率先快速增加,在超过饱和阈值功率后逐渐达到饱和,然后趋近于一定值。研究表明,硫化铅量子点可饱和吸收体的调制深度α0达到了31%,非饱和吸收损耗αns的值为20%,饱和阈值功率Isat=1 MW·cm-2。

2.3 可饱和吸收体设计与研制

可饱和吸收体属于激光器实现被动锁模的核心器件之一,其透过率与光波强度相关,可以起到窄化脉冲宽度的作用[14]。硫化铅量子点是一种具有较小禁带宽度(0.41 eV)和较大玻尔半径(18 nm)的直接带隙半导体,可由尺寸调控带隙(0.4～2.0 eV),能对600～3 000 nm范围内的入射光实现高效率吸收[15-16]。上述特性使硫化铅量子点作为可饱和吸收体,在增强光与物质相互作用方面具有显著优势。用1 mL注射器将所得的硫化铅量子点溶液均匀滴涂到标准单模光纤跳线端面,在室温常压下缓慢蒸发,待干燥后,将其与另一根单模光纤跳线用光纤法兰盘连接起来,可获得硫化铅量子点可饱和吸收体,如图4所示。

图4 硫化铅量子点可饱和吸收体Figure 4. Lead sulfide quantum dot saturable absorber

2.4 超快光纤激光系统搭建与测试

为进一步探索硫化铅量子点可饱和吸收体具备实现超短脉冲的潜力,本文设计搭建了基于硫化铅量子点锁模的掺铒光纤激光系统,并研究了相应的输出脉冲特性,实验装置如图5所示。泵浦源借助两个980 nm的激光二极管实现供给,借助两个980/1 550 nm的波分复用器和掺铒光纤实现高度耦合,偏振无关隔离器用于保证激光单向传输,采用50%输出比的输出耦合器监测输出脉冲信号,偏振控制器用于调节腔内双折射。硫化铅量子点可饱和吸收体作为锁模器件。该激光系统所有器件均通过光纤熔接机连接,谐振腔总长度约23.6 m,由5.0 m的掺铒光纤和18.6 m的单模光纤组成,计算可得谐振腔净色散为-0.3 ps2。采用光功率计、光谱仪、自相关仪、示波器和频谱分析仪监测输出脉冲特性。

图5 超快光纤激光系统结构Figure 5. Structure of ultrafast fiber laser system

基于超快光纤激光系统,当泵浦功率增加到5 mW时,能够实现稳定的自启动锁模,说明硫化铅量子点可饱和吸收体具有较低的饱和阈值功率。在泵浦功率继续提高至700 mW的过程中,通过调节偏振控制器,激光器可以保持稳定的锁模脉冲输出,输出脉冲对应的典型光谱如图6(a)所示。结果表明,到光谱两边具有明显对称的凯利边带,是光克尔效应和光纤色散之间达到平衡的结果[17]。光谱对应的中心波长为1 559.5 nm,光谱带宽为3.63 nm。脉冲自相关曲线如图6(b)所示,与之对应的脉冲宽度为1.16 ps,例如取双曲正割拟合则其脉冲宽度为760 fs。与之对应的时间带宽积为0.34左右,意味输出脉冲基本上并未出现啁啾[18]。图6(c)是输出脉冲对应的示波器序列,脉冲强度统一且两个相邻脉冲间的间隔等于115 ns,与之相应的脉冲在腔内循环一周的周期,意味光纤激光器工作处于基频状态。图6(d)是输出脉冲对应的射频频谱图,基于100 Hz条件下基频信息展示脉冲的重复频率为8.7 MHz,信噪比达到了60 dB,说明激光器具备良好的锁模性能。实验结果表明,硫化铅量子点可饱和吸收体的损伤阈值超过了16 mJ·cm-2,锁模脉冲对应的平均功率为70 mW,经核算得出输出脉冲能量为8 nJ,与之对应的峰值功率为11 kW。实验结果可以媲美绝大多数基于低维纳米材料锁模的光纤激光器。综上可知,硫化铅量子点是一种工作波长宽带、饱和阈值极低、响应时间超快以及损伤阈值相对较高的理想可饱和吸收材料。

(a)

(b)

(c)

(d)图6 锁模脉冲(a)光谱 (b)自相关曲线 (c)示波器序列 (d)频谱Figure 6. Mode-locked pulse(a) Spectrum (b)Autocorrelation curve (c)Oscilloscope trace (d)Radio-frequency spectrum

3 实验教学平台应用

超快激光制造是面向光电信息科学与工程专业的学生开设的一门综合性创新实验,结合科技前沿,通过软硬件结合的方式研究了硫化铅量子点的制备与表征、可饱和吸收特性检测与分析、可饱和吸收体制备、超快光纤激光系统的搭建与测试。结果表明,基于硫化铅量子点的可饱和吸收体饱和阈值低、响应时间快、损伤阈值高以及工作波长宽带,对于高能量超快激光的产生具有独特的优势。该实验教学平台已经用于光电子器件课程的相关实验教学当中,有利于学生深入理解光电子器件所涉及的光有源/无源器件(光纤激光器、激光二极管、光电探测器、波分复用器、输出耦合器、光隔离器、光纤连接器、偏振控制器、光衰减器)的原理,以及光纤中存在的损耗、色散和非线性效应等特性,使学生做到对知识点的融汇贯通。同时该实验平台担负着较多高水平科研项目相关实验任务,是科研与教学相融合的典型体现。

4 结束语

实验教学对通过实验方法与技术验证理论知识具有重要意义。基于新型低维纳米材料的可饱和吸收体实现多功能、可扩展的超快激光制造实验教学平台为面向光电信息科学与工程专业激光制造类实验教学提供了强有力的技术支撑,是教学与科研融合在学科专业建设中的典型体现。该实验涵盖硫化铅量子点的制备与表征,并对其可饱和吸收特性展开了深入研究。剖析每个参数对可饱和吸收性能产生的具体影响并建立相应的物理模型,研制硫化铅量子点可饱和吸收体,搭建测试并改进以该可饱和吸收体锁模的超快激光系统等。实验内容由简入难,而且与光电子器件课程所讲授的理论知识,例如能带结构、光无源/有源器件工作原理等知识紧密结合,能够进一步加强学生对基础知识的理解。在具体实验过程中,学生可借助文献搜集、实验操作、数据分析以及实验报告撰写等一系列的环节完成一次综合实验体验,此类开放式的实验模式能够较大程度地调动学生的学习热情,培养学生的独立思考能力以及实践能力。借助该综合实验可以引导学生立足于不同角度进行思考,有效培养学生的创新思维,训练学生分析和解决问题的能力,为今后更好地进行科研活动打下良好的基础。