删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)

基于铋纳米片可饱和吸收被动调<i>Q</i>中红外单晶光纤激光器

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

摘要:铋纳米片作为一种新型二维材料, 具有合适的带隙、较高的载流子迁移率和较好的室温稳定性, 加上优异的电学和光学特性, 是实现中红外脉冲激光的有效调制器件. 中红外单晶光纤兼备晶体和光纤的优势, 是实现高功率激光的首选增益介质. 本文采用超声波法成功制备了铋纳米片可饱和吸收体, 并首次将其用于二极管抽运Er:CaF2单晶光纤中红外被动调Q脉冲激光器中. 在吸收抽运功率为1.52 W时, 获得平均输出功率为190 mW的脉冲激光, 最窄脉冲宽度为607 ns, 重复频率为58.51 kHz, 对应的单脉冲能量和峰值功率分别为3.25 μJ和5.35 W. 结果表明, 使用铋纳米片作为可饱和吸收体, 是实现结构紧凑的小型中红外单晶光纤脉冲激光的有效技术途径.
关键词: 被动调Q激光/
中红外激光/
铋纳米片/
Er:CaF2单晶光纤

English Abstract


--> --> -->
中红外脉冲激光在生物医学、环境监测、空间探测和非线性光谱学等领域有着广泛应用, 是当前激光研究领域的热点[1,2]. 在中红外波段, Tm3+, Ho3+和Er3+是产生2—5 μm波段激光的常见稀土离子[3,4]. Er3+能级结构丰富, 在4I11/24I13/2态之间跃迁产生的辐射波长位于2.7—3 μm范围内[5]. 半导体激光器直接抽运的掺铒全固态激光器具有成本低、结构紧凑等优点[6], 在中红外波段颇具竞争力. 单晶光纤作为一种新型激光材料具有热导率高、非线性效应小、掺杂浓度高等优势, 加上体积小、重量轻、抽运导向好等优点而受到广泛关注[7,8], 上述优点使得单晶光纤产生激光的性能优于对应的块状晶体. 另外, 单晶光纤是介于块状单晶和玻璃光纤之间的中间材料. 与玻璃光纤相比, 单晶光纤具有较低的受激布里渊散射截面和较高的热导率, 另外利用单晶光纤缩短激光谐振腔长度可以增大激光腔模, 这意味着单晶光纤激光器可以获得更高的功率[9,10]. 基于这些优点, Er掺杂单晶光纤是一种很有前途的中红外激光材料. 2019年, 使用温度梯度技术生长的Er:SrF2单晶光纤实现了连续激光运转, 输出激光最高功率为860 mW, 对应的斜率效率为34.9%[11]. 据我们所知, 目前还没有基于Er掺杂单晶光纤的脉冲激光报道.
Q技术是获得脉冲激光的重要技术手段. 与主动调Q相比, 被动调Q具有结构简单、结构紧凑、价格低廉、性能可靠等优点. 近年来, 石墨烯[12-15]、过渡金属硫化物[16-19]、黑磷[20-23]、拓扑绝缘体[24,25]等二维材料以其恢复时间快、调制深度可控、制作方便、吸收带宽宽等特点, 在非线性光学领域引起了广泛关注[26-28]. 随着二维材料生长制备技术的不断发展, 二维材料作为可饱和吸收体被越来越多地应用到被动调Q激光器中[29-31]. 铋纳米片(bismuth nanosheets: Bi-NSs)作为一种新型的二维材料具有独特的光电特性, 加上合适的带隙、较高的载流子迁移率、较高的损伤阈值和良好的稳定性, 使Bi-NSs可作为性能优越的可饱和吸收体[32]. 2018年Lu等[33]在1559 nm光纤激光器中首次证明了Bi-NSs的饱和吸收特性. 近期本课题组又利用Bi-NSs作为可饱和吸收体, 在固体激光器中实现了被动调Q脉冲激光运转[32,34,35]. 但据我们所知, 目前Bi-NSs在中红外单晶光纤激光器中的应用还未见报道.
本文首次将Bi-NSs作为可饱和吸收体用于单晶光纤激光器中, 成功实现了二极管抽运Er:CaF2单晶光纤的中红外脉冲激光输出. 在2.8 μm波长附近, 获得了稳定的被动调Q脉冲激光运转, 最窄脉冲宽度为607 ns, 最高重复频率为58.51 kHz, 对应的单脉冲能量和峰值功率分别为3.25 μJ和5.35 W.
图1所示, 设计了结构紧凑的凹平直线谐振腔, 开展了Bi-NSs作为可饱和吸收体的Er:CaF2单晶光纤被动调Q脉冲激光特性研究. 抽运源是光纤耦合的半导体激光器, 光纤芯径105 μm, 数值孔径为0.22, 其中心发射波长为976 nm. 抽运光通过一个耦合比为1∶2的耦合准直系统后聚焦到增益介质前端. 增益介质是采用温度梯度法[36]生长的4 at.% Er:CaF2单晶光纤, 其两端抛光但未镀膜, 直径为1.9 mm, 长度为10 mm. 为减少热效应, 单晶光纤用铟箔紧密包裹后安装在恒温设定12 ℃的铜块上. 输入镜为曲率100 mm的平凹透镜, 镀有974 nm抗反膜和2.9 μm高反膜. 输出镜为不同透过率的平镜, 对2.7—2.95 μm波段激光的透过率分别为1%, 3%和5%. 腔长26 mm. 可饱和吸收体Bi-NSs的制备方法和形貌特征在我们之前的工作中做了详细的介绍[34]. 以实验室自主搭建的2.8 μm纳秒激光(50 kHz, 50 ns)为光源, 采用开孔Z扫描方法研究了Bi-NSs可饱和吸收体的非线性光学特性. 测得Bi-NSs在2.8 μm附近的调制深度和饱和通量分别为1.82%和3.59 kW/cm2[34].
图 1 Er:CaF2单晶光纤连续激光和Bi-NSs被动调Q激光装置图
Figure1. Schematic of Er:CaF2 single-crystal fiber continuous laser and Bi-NSs passively Q-switched laser.

2
3.1.中红外单晶光纤的连续激光特性
-->首先研究了Er:CaF2单晶光纤的连续激光特性. Er:CaF2单晶光纤对976 nm抽运光的吸收率为77.3%. 激光输出功率随吸收抽运功率的变化如图2所示. 输出镜的透过率分别选用T = 1%, T = 3%和T = 5%时, 对应的吸收抽运阈值功率分别为0.12 W, 0.18 W和0.34 W. 当选用T = 3%的输出镜, 吸收抽运功率约为3.1 W时, 获得Er:CaF2单晶光纤的最大输出激光功率为0.94 W, 激光斜效率为32.0%. 连续激光的光谱如图3所示, 使用1%, 3%和5%透过率的输出镜, 获得的激光波长分别为2797.38 nm, 2751.65 nm和2758.90 nm.
图 2 连续激光输出功率随吸收抽运功率的变化
Figure2. Continuous-wave (CW) output power versus the absorbed pump power.

图 3 Er:CaF2单晶光纤连续激光光谱
Figure3. Spectra of Er:CaF2 single-crystal fiber continuous laser.

2
3.2.Bi-NSs可饱和吸收被动调Q中红外激光特性
-->将Bi-NSs作为可饱和吸收体插入谐振腔中, 距离输出耦合镜约2 mm处, 仔细微调吸收体的位置和角度获得被动调Q中红外脉冲激光输出. 当吸收抽运功率达到约0.5 W时, 调Q激光的脉冲重复频率稳定、脉冲序列均匀. 在采用不同透过率的输出镜下, 平均输出功率随吸收抽运功率的变化如图4所示. 使用3%透过率的输出镜, 在吸收抽运功率1.52 W时获得调Q激光最大平均输出功率为190 mW, 对应的斜效率为14.8%. 通过优化制冷系统和镜面镀膜工艺, 有望获得更高的输出功率和激光斜效率.
图 4Q激光平均输出功率随吸收抽运功率的变化
Figure4. Q-switched output power versus the absorbed pump power.

图5(a)(d)详细描述了在不同透过率的输出镜下, 调Q脉冲激光的脉冲宽度、重复频率、单脉冲能量、峰值功率随吸收抽运光功率的变化. 脉冲宽度随着抽运功率的增大逐渐减小, 重复频率、单脉冲能量和峰值功率随着抽运功率的增大不断增大. 在三种输出镜透过率下, 吸收抽运功率1.52 W时获得的最大输出功率、最窄脉冲宽度、最高重复频率、最大单脉冲能量以及最高峰值功率如表1所列. 根据所得实验数据可知, 在相同的实验条件下, 输出镜的最佳透过率为3%.
透过
最大输出
功率/mW
脉冲宽度/ns重复频率/kHz单脉冲
能量/μJ
峰值功率/W
1%12065055.362.163.33
3%19060758.513.255.35
5%8187836.542.222.53


表1吸收抽运功率1.52 W时, 不同透过率下的调Q激光特性
Table1.Q-switched laser characteristics at the absorption pump power of 1.52 W

图 5 Er:CaF2单晶光纤Bi-NSs被动调Q激光(a)脉冲宽度、(b)重复频率、(c)单脉冲能量、(d)峰值功率随吸收抽运光的变化
Figure5. (a) Pulse duration, (b) repetition rate, (c) single pulse energy, and (d) peak power versus the absorbed pump power.

使用透过率为3%的输出镜, 在平均输出功率最大时用示波器(Tektronix DPO4104, 1 GHz带宽)记录的不同时间尺度下的调Q脉冲序列如图6所示. 吸收抽运功率为1.52 W时, 在1 ms/div刻度下记录重复率为58.51 kHz, 脉冲宽度为607 ns, 与2 μs/div刻度下记录的单脉冲时间分布图相吻合.
图 6 Er:CaF2单晶光纤Bi-NSs被动调Q激光脉冲序列
Figure6. Bi-NSs Q-switched pulse trains of Er:CaF2 single-crystal fiber laser.

表2总结了Er掺杂氟化物晶体作为增益介质的调Q脉冲激光与本文工作的比较. 可以看出, Bi-NSs作为可饱和吸收体与Er:CaF2单晶光纤作为增益介质相结合的调Q脉冲激光器, 可以获得更短的脉冲宽度、较高的输出功率和重复频率. 随着单晶光纤材料生长和Bi-NSs制备技术的发展, 相信进一步优化的中红外单晶光纤脉冲激光器将获得更加优异的性能参数.
增益介质吸收体脉冲宽度/ns最大输出功率/mW重复频率/kHz文献
Er:CaF2晶体Graphene132417262.7 [37]
Er:CaF2晶体Black phosphorus954.817841.93[22]
Er:CaF2-SrF2晶体Ti3C2Tx81428645.3[29]
Er:SrF2晶体Bi-NSs98022656.20[34]
Er:CaF2单晶光纤Bi-NSs60719058.51本文工作


表2掺铒氟化物中红外被动调Q激光特性比较
Table2.Comparison of Er-doped mid-infrared passively Q-switched laser

本文报道了Bi-NSs作为可饱和吸收体的二极管抽运Er:CaF2单晶光纤中红外被动调Q脉冲激光器. 采用温度梯度法生长的Er:CaF2单晶光纤作为增益介质, 实现近瓦级中红外连续激光输出. 将超声波法制备的Bi-NSs作为可饱和吸收体用于Er:CaF2单晶光纤中红外调Q脉冲激光器中. 在吸收抽运功率为1.52 W时, 获得平均输出功率为190 mW的被动调Q激光输出, 最窄脉冲宽度为607 ns, 重复频率为58.51 kHz, 对应的单脉冲能量和峰值功率分别为3.25 μJ和5.35 W. 结果表明, Er:CaF2单晶光纤具有优异的中红外激光性能, 同时Bi-NSs是一种很有前途的中红外脉冲激光调制材料, 在超快光子学领域有很大的应用潜力.
相关话题/激光 材料 纳米 技术 结构

  • 领限时大额优惠券,享本站正版考研考试资料!
    大额优惠券
    优惠券领取后72小时内有效,10万种最新考研考试考证类电子打印资料任你选。涵盖全国500余所院校考研专业课、200多种职业资格考试、1100多种经典教材,产品类型包含电子书、题库、全套资料以及视频,无论您是考研复习、考证刷题,还是考前冲刺等,不同类型的产品可满足您学习上的不同需求。 ...
    本站小编 Free壹佰分学习网 2022-09-19
  • MnPS<sub>3</sub>可饱和吸收体被动锁模掺铒光纤激光器双波长激光
    摘要:过渡金属硫代亚磷酸盐MnPS3是三元含磷二维材料,具有新颖的光电特性.采用化学气相传输方法生长MnPS3单晶,结合机械剥离方法制备可饱和吸收体光纤调制器件.以MnPS3可饱和吸收体构建掺铒光纤环形激光器,实现脉冲间隔为196.1ns,脉冲宽度为3.8ns,最高输出功率为27.2mW,1565. ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • Ag@SiO<sub>2</sub>耦合结构设计及其对薄膜太阳电池的响应调控
    摘要:Ag@SiO2纳米耦合结构同时具有等离激发和衍射散射特性,可有效调控光波的行进路径和能量分布,在薄膜太阳电池陷光领域极具潜力.本文基于时域有限差分方法和严格耦合波分析,建立三维电磁仿真模型,研究Ag@SiO2耦合结构对非晶硅电池光谱响应的调控机理,通过优化设计,得到高陷光电池器件.结果表明:当 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 偏振动态可调耗散孤子光纤激光器实验研究
    摘要:实验搭建了一台基于碳纳米管的耗散孤子光纤激光器,研究了耗散孤子的动态偏振特性.在160mW的抽运功率下,得到了稳定的单脉冲耗散孤子.通过调整腔内的偏振控制器,得到了庞加莱球上为固定点形式吸引子的偏振锁定矢量耗散孤子.单向机械调节腔内偏振控制器可以调控偏振锁定吸引子向极限环吸引子的演化,且实现极 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 基于结构反转二维光子晶体的拓扑相变及拓扑边界态的构建
    摘要:构建了二维六角蜂窝晶格的两种结构,让散射体和基体材料反转.由于特有的点群对称,该晶格在布里渊区中心具有类比电子体系的p轨道和d轨道.在散射体和基体反转的两种结构中,p轨道和d轨道也直接实现了反转.定量分析了产生轨道反转的原因来自于低频局域共振产生空气带和介质带的反转.通过p轨道和d轨道的宇称特 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 金属离子掺杂提高全无机钙钛矿纳米晶发光性质的研究进展
    摘要:金属卤化物钙钛矿纳米晶由于其卓越的光电子性能,在发光二极管、激光器、X射线成像、太阳能电池及光电探测等领域中受到了极大的关注.与有机-无机杂化钙钛矿纳米晶相比,全无机钙钛矿CsPbX3(X=Cl,Br,I)纳米晶具有更优异的光电性能和更高的稳定性.为进一步提高CsPbX3纳米晶的光致发光量子效 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 金薄膜衬底上介质-金属核壳结构的光学力调控
    摘要:采用时域有限差分法和麦克斯韦应力张量法,系统研究了金薄膜衬底上介质-金属核壳结构所受的光学力.研究结果表明:由于核壳结构与衬底之间强的等离激元模式杂化效应,其所受的光学力相较于单个核壳结构实现了一个数量级的增强;同时,通过改变激发波长,实现了局域电场分布的调控,以此观察到了核壳结构光学力方向的 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 530 W全光纤结构连续掺铥光纤激光器
    摘要:采用改进的化学气相沉积工艺结合溶液掺杂法制备了掺Tm3+石英光纤预制棒,并拉制成纤芯/包层尺寸约为25/400μm的双包层掺Tm3+光纤,通过电子探针显微分析测得其中Tm2O3和Al2O3的浓度分别为2.6wt%和1.01wt%,在793nm处测得的包层吸收为3dB/m.基于上述大模场掺Tm3 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 可实现宽频带光波非对称传输的自准直效应光子晶体异质结构
    摘要:利用光子晶体的自准直效应和能带特性,设计了一种能实现宽频带光波非对称传输的二维光子晶体异质结构.该结构实现宽频带、高正向透射、非偏振选择的非对称传输.横电(transverseelectric,TE)偏振光非对称传输波长带宽可达532nm,在光通信波长1550nm处正向透射率和透射对比度分别可 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 构建垂直金纳米棒阵列增强NaYF<sub>4</sub>:Yb<sup>3+</sup>/Er<sup>3+</sup>纳米晶体
    摘要:以金纳米棒垂直阵列(gold-nanorodsverticalarray,GVA)为衬底,SiO2为隔离层,构建GVA@SiO2@NaYF4:Yb3+/Er3+纳米复合结构.在近红外980nm激发下,通过改变中间隔离层SiO2的厚度,研究GVA对NaYF4:Yb3+/Er3+纳米晶体上转换发光 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 激光照明条件对超振荡平面透镜聚焦性能的影响
    摘要:超振荡平面透镜(super-oscillatorylens,SOL)是近几年出现的新型平面光学元件,基于矢量角谱理论设计了振幅型和相位型SOL,采用时域有限差分法对衍射聚焦光场进行严格电磁仿真计算,研究发现:当照明激光束腰半径w0小于SOL半径a时,超衍射极限聚焦能力明显下降,聚焦光斑强度衰减 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29