基于石墨烯可饱和吸收的锁模光纤激光器研究
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第47卷第3期2017年3月激光与红外LASER&INFRAREDVol.47,No.3March,2017文章编号:l〇〇l-5078(2017)03-0291-05 •激光器技术•基于石墨烯可饱和吸收的锁模光纤激光器研究陈恺\祝连庆姚齐峰\骆飞1(1.北京信息科技大学光电信息与仪器北京市工程研究中心，光电测试技术北京市重点实验室，北京100016;2.北京信息科技大学生物医学检测技术及仪器北京实验室，北京100192)摘要:报道了一种基于单层石墨烯可饱和吸收体调Q锁模的全保偏结构掺铒光纤激光器。
研究了单层石墨烯作为可饱和吸收体实现调Q锁模后的激光特征，获得了中心波长1557.69 mn的激光输出。
调Q锁模脉冲包络重复频率11.49 ~40. 41 kHz范围变化，包络宽度在10.1 ~3.62 p范围变化。
在泵浦功率为191.3 m W时，激光器最大输出平均功率9.354 mW,最大光-光转换效率为4.89 %。
关键词：调Q锁模光纤激光器;全保偏光纤结构；石墨烯饱和吸收镜中图分类号:TN248 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1001-5078.2017.03.006 Study on mode-locked fiber laser based on graphenesaturable absorberCHEN Kai1,ZHU Lian-qing1'2,YAO Qi-feng1,LUO Fei1(1. Beijing Engineering Research Center of Optoelectronic Information and Instruments,Beijing Key Laboratory for Optoelectronics Measurement Technology,Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100016,China；2. Beijing Laboratory for Biomedical Detection Technology and Instrument,Beijing InformationScience and Technology University,Beijing 100192,China)Abstract：An all-polarization-maintaining erbium-doped Q-switched mode-locked fiber laser by graphene saturable absorber mirror was reported. The characteristics of Q-switched mode-locked laser with monolayer graphene as saturable absorber were studied,and the laser output was obtained at the center wavelength of 1557. 69 nm. Repetition rate of Q- switched envelope varied from 11. 49 to 40. 41 kHz,and the width of Q-switched envelope varied from 10. 1 to 3. 62|jls. When the incident pump power is 191. 3 mW,the maximum average output power of the laser is 9. 354 mW andthe maximum light-light conversion efficiency is 4. 89 %.Key words：Q-switched mode-locked fiber laser；all-polarization-maintaining；graphene saturated absorber mirrori引言脉冲光纤激光器具有结构紧凑、体积小、泵浦效 率高、光束质量好等优势，广泛应用在加工、通讯、医 疗等领域。
基于光纤锁模技术的超短脉冲研究在精细加工、光纤传感、精密光学测量等领域潜力巨大。
目前所报道的主要锁模光纤激光技术包括非线性偏 振旋转（NPR)锁模m、非线性光纤环镜（NOLM)锁 模[2]、半导体可饱和吸收镜（SESAM)锁模[3_5]以及基金项目：教育部长江学者和创新团队发展计划（No. IRT1212);北京市科技计划项目（No. Z151100003615010);北京市教 委2015年度创新能力提升计划项目（Na TJSHG201510772016)资助。
作者简介：陈悟（1990 -),男，硕士研究生,主要从事光纤激光器等方面研究。
E-mail:347248645@qq. com通讯作者:祝连庆（1963 -)，博士学位，教授，博士生导师，主要研究方向为精密测量技术，光纤传感技术，光纤激光器技 术及生物医学检测技术与仪器。
E-mail :zhulianqing@ sina. com收稿日期=2016-08-09;修订日期:2016-08-22292激光与红外第47卷单壁碳纳米管（SWNT)锁模[6_7]等。
石墨烯自2004 年问世以来[8]，以其独特的非线性光学特性获得越 来越多的关注。
其独特的线性能带结构，可使其在 很宽的光谱范围（300 ~ 3000 nm)实现非线性可饱 和吸收[^15];另外，石墨烯还具有较高的调制深度、高的损伤阈值、超快的恢复时间[16_17]，价格低廉、易 于制作等优点。
因此，基于石墨烯的被动锁模技术 已经成为脉冲光纤激光器的研究热点。
锁模状态分 为2类，即连续波锁模状态和调Q锁模状态。
在某 些应用中，要求连续的脉冲能量和高重复频率，这时 需要连续锁模光纤激光器，而调Q锁模状态具有更 高的峰值功率和渐增的脉冲能量，在非线性频率转 换、微结构加工和激光医疗上有更多的应用。
2009 年，南洋理工大学Ba。
等[18]首次以石墨烯作为可饱 和吸收体实现了脉冲宽度为756 fs，重复频率为1.79 MHz，中心波长为1565 n m的掺铒锁模光纤激 光输出。
2013年，南开大学311{>叫等[19]采用石墨烯 配合微纳光纤通过调节腔内偏振态，实现了 1.5 pm 调Q锁模和连续锁模切换的掺铒光纤激光器。
2015年，南开大学杨光[2°]等通过拉锥光纤上附着 石墨烯实现了 2 p m波段调Q锁模脉冲输出。
但是 这些石墨烯饱和吸收体被动锁模光纤激光器容易受 诸如显著温度变化和机械扰动这类环境的变化的影 响，致使锁模激光器稳定性降低。
全保偏光纤谐振腔是解决以上问题的最佳途径 之一。
其具有：（1)可避免环境中外力（压力、弯曲 等）引起的光纤双折射变化造成锁模激光不稳定[21];(2)可保持激光以单一线偏振方向沿保偏光 纤慢轴在腔内传输，更易实现锁模脉冲自启动；（3) 可减少偏振控制器等元件的使用，降低腔内损耗等 优势。
本文实现了一种基于反射式石墨烯可饱和吸收 镜调Q锁模的全保偏掺铒光纤激光器。
获得中心 波长1557. 69 nm，最大重复频率40. 41 kHz，最小脉 冲宽度3.62 ^的单一偏振态的调Q锁模激光输 出。
并对实验结果及现象进行了分析和讨论。
2实验装置实验装置主要由1m熊猫型保偏掺铒光纤，一个980/1550保偏波分复用器，石墨烯可饱和吸收 镜，一个30%输出保偏耦合器和一个保偏环形器组 成，如图1所示。
装置中的保偏光纤和保偏器件均 由Fujikura光纤熔接机(FSM - 100)沿慢轴精确对 准熔接。
该激光器是由带单模尾纤输出的976 nm激 光二极管(laser diocKLD)进行反向泵浦。
所用的保偏掺铒光纤(N dem公司，PM - ESF - 7/125)在976 m il处的吸收系数约为24 dB/m，在1550 m il波长处 具有约-0.02 ps2/m的群速度色散（group velocity dispereion，GVD)。
保偏环形器因具有较高的隔离度 (〜50dB)，可以实现激光在腔内的单向传输，并可把 石墨烯可饱和吸收镜有效接人到谐振腔内。
本文采 用的环形器端口 2是由一个直径约2 mm，长度约 4 m m，输出端具有8°倾角的短棒形光纤组成，稱合效 率高，对1550 nm近准直输出。
总腔长约为6.5 m，总 群速度色散约为-0.13 ps2。
实验中使用的石墨烯制备方法如下:首先，通过 .化学气相沉积（chemical vapor deposition,CVD)法沉 积在铜箔载片上，然后使用低温转移方法，利用PM-M A高分子溶液逐层转移到保护金反射镜上，使石 墨烯与反射镜充分接触，避免产生气泡，最后利用丙 酮将PMMA溶解去除。
采用此方法可得到高质量 的单层石墨烯饱和吸收镜。
实验中用于测量调Q锁模激光输出特征的设 备有：光谱分析仪（Yokogawa AQ6375，分辨率0.05 nm)、偏振消光比测试仪(PEM -330)、光电探 测器(111。
1’1^丨)8,5〇出带宽），示波器(1^&(^610 2; 1G hz带宽），分别用于测量脉冲激光的光谱、偏振 消光比、脉冲序列等。
图1基于反射式单层石墨烯可饱和吸收镜调Q锁模的全保偏掺铒光纤激光器示意图Fig. 1 Schematic diagram all-polarization-maintainingerbium-doped fiber laser Q-switched mode-locked bymonolayer graphene saturable absorber mirror3实验结果与分析当泵浦功率升至69. 6 m W时，调节单层石墨烯 饱和吸收镜，可以直接获得稳定的调Q锁模脉冲序激光与红外No . 32017陈恺等基于石墨烯可饱和吸收的锁模光纤激光器研究293-450-300-150150300450时间/fis㈨单层石墨烯可饱和吸收镜调Q 锁模脉冲序列-800 -600 -400 -200 0200 400 600 800时间/ns(b )单层石墨稀可饱和吸收镜调Q 锁模包络中锁模脉冲图2调Q 锁模脉冲序列Fig. 2 Pulse tra in o f Q-switched mode-locked列。
图2(a )为数字示波器测得的调Q 锁模脉冲序 歹!U 此时脉冲调Q 包絡的.重复频率为11.45 kB z .， 包祭半高宽为10. 1通过调节示波器的显示范围，可观察到隐藏在调Q 脉冲包络中的锁模子脉冲，如图2(b )所示。
