基于金纳米棒可饱和吸收体的2μm可调谐锁模光纤激光器

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可调谐飞秒光纤激光器凭借其波长可调谐、集成度高、调谐速度快等优点,成为了近年来激光领域的研究热门,被广泛应用于传感、工业加工、国防以及基础科学研究等领域。实现波长可调谐光纤激光器主要有三种技术方法,分别是在激光腔中加入光滤波器等波长选择器件、基于光非线性效应控制光传输模式以及外接调制器调控激光腔损耗。目前商用可调谐光纤激光器所用调制器件仍有成本高、结构复杂、操作不易等不足,因此实现一种结构紧凑、操作方便且稳定性优秀的可调谐光纤激光器具有一定研究意义。被动锁模技术是实现飞秒超短脉冲激光的一种技术手段,而可饱和吸收体是该技术方案中的核心器件。金纳米材料被视为是一种极具潜力的可饱和吸收体,这得益于其可控的表面等离激元共振特性、快速的响应时间以及高的三阶非线性系数等性能。我们课题组在之前的研究中首次发明了金纳米棒可饱和吸收体,并实现了基于金纳米棒可饱和吸收体的光纤激光器,得到了在1μm、1.5μm和2μm等波段的脉冲激光输出,但尚未研究过基于金纳米棒可饱和吸收体的可调谐光纤激光器。作者围绕基于温度对金纳米棒的调控机理进行了系统研究,首次提出了一种基于温度对金纳米棒可饱和吸收体进行调控的可调谐光纤激光器,取得了以下研究成果:(1)研究了温度对金纳米棒可饱和吸收体的调控作用。实验制备的金纳米棒的横向与纵向等离激元共振吸收峰分别位于523 nm与900 nm处,吸收光谱覆盖500-3000 nm。基于温度对等离激元材料的调控,改变温度会影响金纳米粒子表面等离激元共振效应,导致可饱和吸收体的吸收特性发生变化。升高温度会影响金纳米粒子中电子-声子散射,并导致金纳米粒子出现热膨胀,进而使金纳米等离激元材料表现出表面等离激元共振峰红移、对光吸收强度变弱的现象。最终使金纳米棒可饱和吸收体吸收强度降低,插入损耗变小,更容易达到光饱和。因此对金纳米棒进行温度调控,可实现光纤激光器输出激光中心波长可调谐。实验结果表明金纳米棒能够作为可饱和吸收体被应用于实现2μm波段的可调谐超短脉冲光纤激光器。(2)研制了基于金纳米棒可饱和吸收体的可调谐脉冲光纤激光器。为了研制结构简单、热损伤阈值高的高性能可饱和吸收体器件,我们设计了基于消逝场效应的金纳米棒与D形光纤复合结构的可饱和吸收体器件。将其置于环形腔掺铥光纤激光器中,在泵浦功率提高到700 m W时,实现了中心波长为1952.7 nm的锁模脉冲激光输出,激光脉冲宽度为370 fs,且该激光器运转稳定。实验中调控可饱和吸收体的环境温度,在温度从-5℃增加到45℃的过程中,激光器输出中心波长从1962.3 nm红移到1965.9 nm,红移范围为3.6 nm;温度从45℃降低到-5℃的过程中,输出激光中心波长从1965.1 nm蓝移到1961.6 nm,蓝移范围为3.5 nm。实验结果表明,金纳米棒作为可饱和吸收体可被应用于实现可调谐锁模光纤激光器。
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