石墨烯被动锁模光纤激光器的研究进展

自2009年石墨烯(Graphene)材料被成功用于产生超短脉冲以来,出现了多种腔形、多种波长、多种脉冲特性的锁模激光器。利用石墨烯可饱和吸收特性制成的锁模器件具有稳定性好、响应波长广、恢复时间短、插入损耗小等多方面的优势,是目前超短脉冲领域的研究热点。重点对石墨烯被动锁模光纤激光器的研究进展进行了总结,并针对该领域面临的问题,指出其发展趋势。     

Time-Domain Traveling Wave Model of Single-Section Quantum Dot Mode-Locked Lasers with Optical Feedback

单区量子点锁模激光器的光反馈时域行波模型

肖雪芳^1,2,张泽旺^1,2,张秀甫³

（1厦门理工学院 光电与通信工程学院,厦门 361024;

2通信网络与信息处理福建省重点实验室,厦门 361024;

3康科迪亚大学 电子与计算机工程系,蒙特利尔 H3G 1M8, 加拿大）

摘 要：

TDTW模型通过在时域求解一维波动方程和载流子速率方程,可以更准确地描述半导体激光器的动态特性。在实际实验中,往往采用长光纤进行光反馈实验,对长外腔的研究具有较大的价值。然而,利用TDTW模型研究长外腔时,计算量急剧增加,因此在光反馈研究上往往采用的是延迟微分方程（DDE）模型,鲜见采用TDTW模型来研究半导体激光器光反馈的报道。

为更准确地描述半导体激光器的动态特性,本文对Rossi提出的TDTW模型进行研究分析,在此基础上得到一个适合研究单区量子点被动锁模激光器（QD MLL）光反馈特性的新模型。该模型克服了引入长外腔光反馈系统时TDTW模型计算量大幅度增加的问题。将光反馈下的时域行波模型和载流子速率方程相结合,得到单区量子点被动锁模激光器的脉冲变化。研究表明本文提出的新模型与实验数据吻合良好。本文研究了光在外腔的往返时间、局域光强调制对量子点被动锁模激光器的脉冲演化的影响。结果表明,当光从外腔往返的时间等于无反馈情况下被动锁模激光器的脉冲周期的整数倍时,将形成共振,此时脉冲序列的周期最短。结果还表明局部光强调制越强,脉冲序列的频率越高周期越短。

关键词：量子点结构,被动锁模激光器,光反馈

     

二硫化钼掺镱光纤激光器连续和调Q实验研究

采用环形腔结构,实现了1063 nm双包层掺镱光纤激光器的连续和调Q运转.光纤激光器连续输出结果表明,在输出透过率和泵浦功率固定时,存在最佳输出光纤长度.在3m最佳光纤长度时,得到平均输出功率270 mW,中心波长1063 nm、斜率效率为21.5％的连续激光输出.采用自制的二硫化钼(MoS2)作为可饱和吸收体(SA)...     

激光二极管直接耦合泵浦的Nd：YVO_4激光器连续运转和高重复率被动调Q运转

以５００ｍＷ激光二极管直接耦合泵浦Ｎｄ：ＹＶＯ４，实现了１０６４ｎｍ连续激光运转。泵浦阈值功率约２２ｍＷ，获得基横模最大输出约１７２ｍＷ，相应的斜效率为３５．８％；在Ｎｄ：ＹＶＯ４激光谐振腔内采用Ｃｒ４＋：ＹＡＧ作为饱和吸收体，实现了激光二极管连续泵浦Ｎｄ：ＹＶＯ４高重复率被动调Ｑ激光运转。获得了脉宽约１１４ｎｓ的１０６４ｎｍ调Ｑ激光脉冲，重复率高达３８０ｋＨｚ。     

二极管泵浦被动调Q Nd:GdVO4/KTP绿光激光器

报道了一种二极管泵浦的被动调QNd：GdVO4／KTP腔内倍频绿光激光器，在注入泵浦功率为7W时，得到了平均功率为109mW、脉冲宽度为30ns、重复频率为40kHz，峰值功率为91W的被动调Q脉冲绿光输出。     

利用非线性偏振旋转锁模技术产生0.7nJ,1.5ps光脉冲

为了研究锁模光纤激光器以增益平坦型掺铒光纤放大器作为增益介质对输出特性的影响,采用增益平坦型掺铒光纤放大器结合光纤偏振控制器、偏振相关光隔离器组成锁模光纤激光器,基于非线性偏振旋转锁模技术,实现稳定、自起振锁模运转,得到了中心波长1560nm、重复频率6.495MHz、单脉冲能量0.7nJ、脉宽1.5ps的超短光脉冲。同时实验观察到峰值波长为1557nm和1570nm的双峰值波长锁模脉冲的产生。结果表明,采用增益平坦型掺铒光纤放大器替代普通掺铒光纤组成锁模光纤激光器,可获得较高单脉冲能量的超短光脉冲,锁模脉冲的输出光谱可能出现双峰结构,从而可为超短脉冲光纤激光器设计及实用化提供参考。     

半导体薄膜实现Nd:YVO4 1064 nm和1342 nm双波长激光被动调Q

采用射频磁控溅射和热退火处理技术制备SiNx/Si/SiNx多层薄膜,测试了纳米硅晶粒平均尺寸、光学带隙和薄膜对1064 nm激光的非线性吸收系数。建立SiNx/Si/SiNx多层薄膜被动调Q的Nd:YVO4双波长激光器速率方程,得到双波长调Q脉冲的数值模拟结果。在激光二极管(LD)端面抽运的三镜复合腔Nd:YVO4激光器中,SiNx/Si/SiNx多层薄膜作为可饱和吸收体同时实现了双波长激光被动调Q,获得20 ns的1064 nm激光脉冲和19 ns的1342 nm激光脉冲输出。研究表明,薄膜对1064 nm和对1342 nm的双光子饱和吸收是双波长激光被动调Q的直接原因;激光器两个支腔输出损耗的差别和薄膜对两个波长的非线性吸收系数的相对值影响了双波长脉冲的宽度和时间间隔。     

非线性光纤环形镜掺铒光纤激光器的实验研究

为了研究掺铒光纤激光器超短脉冲的产生,采用增益平坦型掺铒光纤放大器、两个偏振控制器以及3个耦合器,利用非线性光纤环形镜加成脉冲锁模技术,通过改变偏振控制器的方向,获得最大输出功率为0.6mW的脉冲输出,对应的光谱宽度9nm、中心波长1561nm、脉冲宽度434ps、脉冲的重复频率为1.1MHz.该脉冲经过掺铒光纤放大器放大后,最大输出功率为10.8mW.放大后锁模脉冲的中心波长保持不变、光谱带宽稍有变窄、输出功率明显增大、脉冲宽度展宽为495ps.实验结果表明,采用商用的掺铒光纤放大器可实现结构简单、调节方便的掺铒光纤激光器超短脉冲输出,且掺铒光纤激光器可以实现自启动,并长时间稳定锁模工作.     

Nd:YVO_4/Cr~(4+):YAG被动调Q激光器输出特性的提高

针对提高连续激光二极管抽运Nd:YVO4/Cr4+:YAG被动调Q激光器输出特性,进行了理论和实验研究。Nd:YVO4相对于Nd:YAG,具有受激辐射截面很大的特点,因此有利于连续运转,但是泵浦功率一定的情况下储能低,不利于被动调Q运转。基于被动调Q速率方程,分析了可饱和吸收体内光束截面积对输出特性的影响,提出了在谐振腔内加入扩束镜的新方法。放在谐振腔中的扩束镜让饱和吸收体内的光子数密度增大,因而可以提高被动调Q激光器输出特性。在Nd:YVO4/Cr4+:YAG被动调Q激光器试验中用倍率3的扩束镜,将峰值功率提高了一个量级以上,单脉冲能量提高了两倍以上。该方法也可以应用在其他被动调Q激光器中,以便提高激光输出特性。