磷量子点可饱和吸收体锁模光纤激光器
2017-09-28
 
超快光纤激光光源已经成为促进科研和工业应用的重要工具。在光纤激光器中,超短脉冲可以通过被动锁模技术得到。被动锁模需要利用可饱和吸收体这种非线性器件在激光腔中作为被动光开关。当前主要使用的可饱和吸收体是半导体可饱和吸收镜,但它有工作带宽窄、制作封装复杂等缺点。这些局限性驱使着科研人员探寻其它可选择材料作为可饱和吸收体应用的研究。其中,特别引起研究兴趣的是具有高光学非线性磁化系数、超快载流子动力学以及宽带工作波长的二维层状纳米材料。这些二维材料中,黑磷(black phosphorus: BP)的直接带隙从块状时的0.3 eV至单层时的2 eV可调,因此有可能桥接零带隙的石墨烯和宽带隙的半导体过渡金属硫化物(1-2 eV)之间的带隙,从而获得了特别的关注。
除了二维层状结构,超小型量子点quantum dot: QD)是另一种形式的纳米材料。由于量子限制以及边缘效应,量子点展现出了独一无二的性质。报道指出,量子点具有均匀的尺寸和相当大的带隙,因此有机会在光电子学中具有新的应用。在此,我们制备了基于超小型黑磷量子点(BPQD)的可饱和吸收体作为超快锁模器件用于超短脉冲产生。掺铒光纤激光器中自启动锁模脉冲的输出,突显出BPQD作为宽带可饱和吸收材料的适用性。
在我们的实验中,BPQD首先通过超声辅助的液相分离法制备。BPQD分散液随后通过光沉积的方法沉积到微光纤上。基于BPQD的可饱和吸收效应通过微光纤上纳米材料和倏逝波之间的非线性相互作用实现。BPQD微光纤可饱和吸收器件的显微图像如图1(a)所示,上图为微光纤沉积BPQDs后放大500倍的图像;下图以及下图插图为650 nm氦氖激光光源注入微光纤后的倏逝波的图像,放大倍数分别为500倍和1000倍。BPQD可饱和吸收体的非线性光吸收特性如图1(b)所示,器件的饱和平均功率和归一化的调制深度分别为1.69 mW8.1%BPQD可饱和吸收体显示了强可饱和吸收特性,表明了其用于超短脉冲产生的可能性。
 
 
 
1 (a)沉积BPQD的微光纤图像;(b)BPQD可饱和吸收体器件的可饱和吸收特性
 
如图2所示,我们搭建了一个掺饵光纤激光器,该激光器由单模光纤和其他光纤集成器件组成,整个系统十分紧凑,无需对光路进行准直。其中光纤放大器由一段0.7 m长的单模掺铒光纤(EDF)组成,泵浦光来自一个980 nm的激光二极管。除了光纤放大器之外,腔内有偏振无关的光隔离器(PI-ISO)用以保证光在腔内的单向传输,10%输出的耦合器输出信号用于光谱测量和时域波形分析,全相位连续可调的偏振控制器(PC)用以调整腔内双折射。整个腔的长度约为37.8 m,激光器工作在平均孤子状态下。
 
 
 
2 超快掺铒光纤激光器结构图
 
 
 
3 锁模性能:(a)脉冲序列;(b)光谱;(c)自相关曲线;(d)射频谱
 
腔实现自启动锁模时,重频为5.47 MHz(3(a)),单个脉冲能量为24.7 pJ。光谱的中心波长为1561.7 nm,半高全宽为3 nm(3(b))。图3(c)中自相关曲线的脉宽为882 fs。时间带宽积为0.325,接近双曲正割脉冲的傅里叶变换极限。基频的信噪比为67 dB,表明了振幅值的低波动和锁模状态的稳定性。图3(d)中的插图显示了150 Mhz范围内腔的高次谐波,没有明显的调Q不稳定性现象,表明脉冲序列良好的稳定性。为了进一步评估基于微光纤沉积的BPQD可饱和吸收体器件的稳定性和光纤激光器的锁模效果,我们在两个小时的时间里每隔20分钟记录了激光器的输出光谱,展示在图4(a)中。测量结果表明光谱的中心波长和带宽均无明显变化(4(b)),显示了锁模状态的稳定性。
 
 
 
4 (a)每隔20分钟记录的光谱;(b)中心波长和3 dB光谱宽度的漂移
 
我们发现分散在NMP溶剂中的BPQDs在长达半年的时间内没有降解且具有相当好的稳定性。激光器连续产生高质量的脉冲,表明这种纳米材料是一种具有前景的超快可饱和吸收体代替材料。
 
 
张梦,电子信息工程学院,副教授,卓越百人,E-mail:mengzhang10@buaa.edu.cn
 
 
参考文献
Du J, Zhang M, Guo Z, et al. Phosphorene quantum dot saturable absorbers for ultrafast fiber lasers.[J]. Scientific Reports, 2017, 7:42357.