Q-switched fiber laser with Ti: Bi₂Te₃ of different concentrations

光纤激光器由于其光束质量高、能量高、成本低等优点，被广泛应用在光纤传感、生物诊断、国防等领域^[1-4]。被动调Q是光纤激光器实现调Q的主要方法，将可饱和吸收体(SA)加入到激光腔内，腔内形成周期性损耗获得激光脉冲序列。目前，市场上应用最为广泛的可饱和吸收体是半导体可饱和吸收镜（SESAM），其优点在于调制深度、饱和通量等参数精确可控，环境稳定性较高^[5-6]。但SESAM吸收带宽窄、制作工艺复杂、价格昂贵，而且需要昂贵的设备和复杂的制作这极大地限制了SESAM的应用。近年来，人们对二维材料非线性光学特性研究的深入，碳基材料（碳纳米管、石墨烯）、黑磷、拓扑绝缘体等已经被广泛的应用于被动调Q光纤激光器中^[7-8]。碳纳米管制备简单方便，灵活多样，成本低廉。但受到直径的限制，碳纳米管只能在特定波长有可饱和吸收作用。石墨烯是一种零带隙全波段吸收材料材料，但由于组成元素为碳元素，被激光直射时损伤阈值较低，容易被氧化。黑磷具有高迁移率的层状半导体结构，直接带隙能量由层数决定，由0.3 eV(体结构)到2 eV(单层)，黑磷的宽光谱非线性响应特性有希望被应用到近红外和中红外的光电子器件中，但由于黑磷长时间的稳定性很差，限制了其大规模的应用。拓扑绝缘体（topological insulator, TI）因其具有低饱和强度、宽波段非线性吸收、高损伤阈值等优点而被广泛关注。TI的价带间隔为0.2~0.3 eV，当波长小于4.1 μm时，TI的内部和外部共同吸收光波，当波长大于4.1 μm时，TI表面吸收光波。因此，拓扑绝缘体对全波段均有吸收作用，是一种超宽带吸收的材料。碲化铋(Bi₂Te₃)作为拓扑绝缘体之一，目前已在1 、1.5、2 、3 μm 等波段均实现光纤激光器调Q脉冲输出^[9-12]，但针对不同浓度TI:Bi₂Te₃可饱和吸收体对调Q光脉冲的影响却鲜有报道。

因此，文中针对TI:Bi₂Te₃浓度对调Q光脉冲的影响开展研究。采用水热法制备了Bi₂Te₃纳米薄片^[13]。将不同质量的Bi₂Te₃纳米薄片均匀分散到成膜剂羧甲基纤维素钠(NaCMC)中制成具有不同浓度Bi₂Te₃的可饱和吸收光开关，并分别加入激光器谐振腔中，研究不同浓度条件下可饱和吸收光开关与脉冲宽度、重复频率和输出功率的关系。最终，针对谐振腔参数对TI浓度进行优化，实现了脉冲宽度为8 μs、重复频率为14.2 kHz的被动调Q光脉冲输出，脉冲能量为151.4 nJ，平均功率为2.15 mW。

实验采用水热法合成Bi₂Te₃，所有试剂纯度均为分析纯，采用的主要试剂如表1所示。

将100 mg PVP加入40 ml乙二醇中搅拌溶解，依次将亚碲酸纳和氯化铋加入溶液中，充分搅拌，将溶液转移到反应釜中，然后放入烘箱，180 ℃反应20 h。将获得溶液用乙醇离心洗涤3次，去除杂质和乙二醇。最终将获得溶液60℃烘干得到Bi₂Te₃粉末。图1(a)是用AFM测试了Bi₂Te₃的厚度，从图中可以看出：所测试的厚度为11 nm左右，由这个结果可知该样品的层数较少。图1(b)为样品XRD （X-Ray diffractometer）[JCPDS NO.15-0863])的测试结果，在015和0015有两个特征峰，显示制备的Bi₂Te₃纳米颗粒处于晶体状态。称取2.5 mg的Bi₂Te₃粉末加入8 mL的NaCMC溶液中，搅拌超声使溶液混合均匀。用滴管将溶液滴在盖玻片上，60 ℃烘干得到Bi₂Te₃可饱和吸收体的薄膜。利用分光光度计(Spectrop-hotometer)对制备好的TI:Bi₂Te₃光开关进行光吸收测试，为了避免NaCMC和玻璃基片对吸收特性的影响，实验分别对掺有Bi₂Te₃的NaCMC薄膜和非掺Bi₂Te₃的NaCMC薄膜进行透过率测试，进行了测量，结果如图1（c）所示，红线为纯NaCMC薄膜透射曲线，黑线为添加Bi₂Te₃的NaCMC薄膜投射曲线。实验表明：Bi₂Te₃对波段在400~2 000 nm范围内的激光均有吸收。利用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)观察制备样品的表面形貌如图1(d)所示，所制备的Bi₂Te₃纳米材料大部分呈六边形形状，宽度在400~500 nm左右且可以清晰地观察到纳米颗粒边界，颗粒与颗粒之间没有粘连在一起，表明所制备的材料具有很好的结晶性和分散性。图1(e)所示为Bi₂Te₃光开关薄膜放置到FC光纤端面。

Figure 1.  Characterization of Bi₂Te₃ material

实验配制了不同浓度Bi₂Te₃作为光开关，探索其浓度对调Q光脉冲的影响，分别称取了2.5 、5 、7.5、10 mg的Bi₂Te₃粉末并分别加入8 mL的NaCMC溶液中，搅拌超声使溶液混合均匀。用滴管将溶液滴在盖玻片上，烘干后截取面积1.5 mm×1.5 mm薄膜，用法兰固定在激光器的光路中。为了表征Bi₂Te₃粉末浓度对调制深度的影响关系，实验使用I扫描测试装置对不同浓度的Bi₂Te₃光开关的非线性透射曲线进行测量，实验装置如图2(a)所示^[14]。I扫描的测试光源为由自制的被动锁模光纤激光器（重复频率为31.4 MHz，中心波长为1 558.5 nm，脉冲宽度为500 fs），测试光脉冲经过光衰减器，被3 dB光分束器均匀地分成两个强度几乎相同的激光。笔者让一束激光通过样品，然后由功率计A测量，而另一束激光作为参考光由另一个功率计B直接测量。同步测量输入和输出脉冲强度，可以有效地降低检测误差。通过不断调整功率，就可以得到一系列输出功率与输入功率之比。测得的不同浓度Bi₂Te₃薄膜的透射率曲线如图2(b)所示，在2.5 mg/8 mL~10 mg/8 mL的浓度范围内，随着光开光浓度的增加，非饱和损耗由10.9%增加至29%，调制深度由4.4%增加至6.2%。这是因为拓扑材料中表面态和体态对光的吸收和弛豫分为四个过程，第一个过程中，材料中的载流子被入射光激发到表面态和体态的上能级中；第二个过程，上能级的载流子同时向体态和表面态弛豫；第三个过程，体态载流子耦合到表面态；第四个过程，表面态中载流子通过带间散射回到基态完成平衡。而拓扑材料浓度的变化，使得上能级表面态的载流会影响体态与表面态之间的载流子耦合效率，当体态越多时，耦合速度越慢，也子无法及时过度到表面态以弛豫回基态，而造成载流子的积累^[15]。结果显示，随着拓扑材料浓度的增加，拓扑样品的比表面积下降，样品中体态到表面态的耦合速度变慢，这使得样品更容易饱和，因此饱和强度下降。浓度较大的Bi₂Te₃光开光其覆盖率也较高，非饱和损耗就比较大。Bi₂Te₃光开关可以实现不同浓度状态下电子的直接跃迁, 在光激发下可吸收更多的光子而获得更大的调制深度。

Figure 2.  (a) I-scan schematic; (b) Modulation depth of different concentrations

实验搭建的光纤激光器结构如图3所示，泵浦源采用的976 nm单模半导体激光器（LC9XU400-74P，II-IV），最大输出功率为400 mW，通过980/1550 nm波分复用器（WDM）将泵浦光耦合进腔内。增益光纤为高掺杂的掺铒光纤（Er 80-8/125, Liekki），长度为40 cm，色散值为32 000 fs²/m。偏振无关隔离器(PI-ISO)保证光束的单向输。将Bi₂Te₃光开关放置在光纤FC接头上，通过法兰将Bi₂Te₃光开关固定在光路中，使SA薄膜固定在光纤激光器环形腔中，激光通过耦合比为90/10的耦合器输出，光路中的偏振态可通过偏振控制器进行调节，腔总长度为7.6 m。分别采用示波器（KESIGHT，DSOV084A）和光谱仪（YOKOGAWA，AQ6370D）对光脉冲的时域和频域进行分析。

Figure 3.  Experimental system structure

为了对比NaCMC薄膜对非线性光吸收特性的影响，实验首先将未掺杂Bi₂Te₃的NaCMC薄膜引入环形腔，缓慢增加泵浦功率，并调节偏振控制器，始终未能出现调Q激光脉冲输出。而将4组不同浓度Bi₂Te₃制作的SA薄膜加入腔内时，均出现了稳定的调Q光脉冲输出，证实了调Q脉冲输出是由Bi₂Te₃的非线性光学吸收特性实现的。图4为在4组不同浓度Bi₂Te₃条件下，输出调Q脉冲特性随泵浦功率的变化关系。

Figure 4.  Characterization of laser output changing with pump power

基于不同浓度Ti: Bi₂Te₃光开关调Q实验中脉冲宽度随泵浦功率的变化关系如图4(a)所示，调Q阈值随着Bi₂Te₃浓度的提高而降低，调 Q光脉冲宽度随着泵浦功率的增加而减小。这是由于可饱和吸收体表面质量高，所以随着浓度的变大，加强光与物质的相互作用，光开光能力增强也就降低了阈值；在单位时间内，随着泵浦功率的增加，增益光纤中能够存储更多反转粒子数，使得“漂白”的时间变的更短，然后更多的粒子在更短的时间内释放，因此，使输出脉冲宽度会变的更窄。图4(b)为不同 Bi₂Te₃浓度的重复频率随泵浦功率的变化关系。根据实验结果可知，4组不同浓度的重复频率都随泵浦功率增大而增大，这满足了被动调Q光纤激光器的典型特性。泵浦功率的增大提高了泵浦光的抽运速率，能级间反转粒子数积累的速度变快，缩短了达到阈值反转粒子数的时间，脉冲的形成时间也相应的缩短，单位时间内能够输出的脉冲数量增加，因此，导致输出的重复频率随着泵浦功率的增加而增大。图4(c)为不同浓度TI: Bi₂Te₃光开关的平均功率随泵浦功率的变化关系。根据实验结果可知：在相同的71 mW泵浦功率下，各自达到的输出平均分别为0.36、1.23、1.37和2.15 mW。可以看出：基于不同浓度TI: Bi₂Te₃光开关的实验中，输出平均功率随泵浦功率几乎是线性增加。这是由于在同一泵浦条件下，浓度大的可饱和吸收体，其调制深度也变大，开关能力增强，可以调制的功率増加，激光器的转换效率变高，可以获得更大平均功率。图4(d)为不同浓度之间输出的单脉冲能量随泵浦功率的变化关系。根据实验结果可知，输出的单脉冲能量随泵浦功率的增大而增大，在相同泵浦功率下，浓度较大的Bi₂Te₃光开关可以获得更大的单脉冲能量。实现调Q脉冲输出的阈值泵浦功率随Ti: Bi₂Te₃光开关的浓度增大而减小。这是由于随着浓度的增加，光和物质的相互作用变强，所以，能够提高平均输出功率和单脉冲能量，减小实现调 Q 脉冲输出的阈值泵浦功率。图4(e)为调Q阈值与浓度之间的关系。由实验结果可知：调Q脉冲输出的阈值功率随TI: Bi₂Te₃光开关的浓度增大而减小。但随着泵浦功率与光开光浓度的变化趋势可知，若在10 mg/8mL浓度上继续增大Bi₂Te₃溶液的浓度，会出现调Q不稳定现象，甚至出现不了调Q脉冲输出。这是由于拓扑绝缘体可饱和吸收体具有很低的饱和强度。而过低的饱和强度使得激光器工作在高功率时，调Q脉冲变得不稳定甚至消失。最终，根据实验对不同浓度Bi₂Te₃光开关进行的实验结果可知，在Bi₂Te₃浓度为10 mg/8 mL时得到的光脉冲宽度最小，单脉冲能量最大。在泵浦功率为28 mW时出现稳定的调Q脉冲，继续增大泵浦功率至71 mW，调Q脉冲依然能稳定输出。最终的实验结果如图5所示，输出光脉冲宽度8 μs、重复频率14.2 kHz、光脉冲中心波长1 560 nm、3 dB带宽1.4 nm、平均功率为2.15 mW,对应的单脉冲能量为151.4 nJ。

Figure 5.  Output pulse characterization of passively Q-switched laser

文中利用了水热合成的方法制作了高质量的六边形Bi₂Te₃纳米薄片材料。制作了不同浓度的Bi₂Te₃光开关，探索了Bi₂Te₃浓度对调Q光脉冲的影响。从实验上验证了浓度在2.5 mg/8 mL~10 mg/8 mL范围内，随着Bi₂Te₃可饱和吸收光开关的浓度的增高，不仅可以获得更大的调制深度，更小的饱和通量的可饱和吸收光开关，还可以减小调Q的阈值，可以提高输出的平均功率和单脉冲能量。结果表明：在10 mg Bi₂Te₃粉末/8 mL NaCMC配比下，泵浦功率为71 mW时，获得脉冲宽度8 μs，重复频率14.2 kHz, 平均输出功率2.15 mW，对应的单脉冲能量为151.4 nJ，中心波长1 560 nm的调Q激光。