[论文解读] Wideband tunable, graphene-mode locked, ultrafast laser

Z. Sun, D. Popa+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2010

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 1被引用 9

一句话总结

该论文展示了一种宽带、可调谐、超快的光纤激光器，采用机械剥离的石墨烯-聚乙烯醇（GPVA）可饱和吸收体实现锁模。激光器在1525–1559 nm波段实现约1 ps的脉冲输出，且锁模状态对环境波动不敏感，其宽带可饱和吸收得益于石墨烯的线性狄拉克电子能带结构，波长控制则通过可调谐滤波器实现。

ABSTRACT

We report a tunable ultrafast fiber laser mode-locked with a graphene saturable absorber. The linear dispersions of the Dirac electrons in graphene enable wideband tunability. We get ~1ps pulses, tunable between 1525 and 1559nm, demonstrating graphene as a broadband saturable absorber.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、稳定且可广泛调谐的超快光纤激光器，用于生物医学成像、光谱学和电信领域的应用。
• 克服传统半导体可饱和吸收镜（SESAM）在调谐范围窄和制备复杂性方面的局限。
• 解决基于光纤双折射的调谐方法在石墨烯锁模激光器中对环境不稳定的缺点。
• 证明石墨烯的线性狄拉克能带结构可实现宽光谱范围内的宽带可饱和吸收。
• 通过简单且可扩展的可饱和吸收体设计，实现低噪声、稳定的锁模，且幅度波动极小。

提出的方法

• 通过超声处理和缓慢溶剂蒸发，制备了机械剥离的石墨烯-聚乙烯醇（GPVA）复合材料，获得厚度为50 µm的自支撑薄膜。
• 将GPVA可饱和吸收体集成到线性、掺铒光纤激光腔中，包含光隔离器、20/80分束器、可调谐带通滤波器、偏振控制器和波分复用耦合器。
• 通过976 nm反向泵浦（经1.2 m掺铒光纤）实现激光振荡，光隔离器确保单向运转。
• 通过微米级控制的可调谐滤波器实现波长调谐，其带宽为12.8 nm，可实现1530–1555 nm的连续调谐，扩展至1525–1559 nm。
• 脉冲宽度和光谱通过二次谐波产生（SHG）自相关仪和光谱分析仪测量，射频（RF）谱分析用于评估系统稳定性。
• 功率依赖性吸收测量证实了可饱和吸收特性，在平均功率5.35 mW（对应266 MW/cm²）时调制度约为4.5%，且与波长无关。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于石墨烯的可饱和吸收体是否能在不依赖温度敏感的双折射效应的情况下，实现稳定且宽带的调谐？
• RQ2 石墨烯中狄拉克电子的线性色散在1500–1600 nm范围内在多大程度上支持宽带可饱和吸收？
• RQ3 与碳纳米管（CNT）或SESAM基系统相比，机械剥离的GPVA可饱和吸收体在脉冲宽度、调谐范围和环境稳定性方面表现如何？
• RQ4 当与可调谐滤波器结合时，石墨烯锁模光纤激光器的可实现调谐范围和脉冲宽度是多少？
• RQ5 尽管存在环境波动，该系统是否能保持低幅度噪声和高稳定性？

主要发现

• 在1553 nm波长处，激光器实现约1 ps的脉冲宽度，时带宽积约为0.4，表明其啁啾量相对于变换极限的sech²脉冲（理论值0.315）较小。
• 实现了1525–1559 nm范围内的可调谐运转，其限制因素仅为可调谐滤波器的带宽，而非石墨烯可饱和吸收体的光谱响应。
• 平均输出功率约为1 mW，脉冲能量为125 pJ，重复频率约为8 MHz，对应往返时间约125.5 ns。
• 射频谱显示峰值与底噪比达约80 dB，表明锁模状态下幅度噪声极低且系统高度稳定。
• 可饱和吸收体在平均输入功率5.35 mW（对应266 MW/cm²）时表现出约4.5%的调制度，且无波长依赖性，证实其宽带工作特性。
• 系统表现出环境不敏感性，因波长调谐通过机械滤波器实现，而非偏振控制，从而避免了对温度和机械漂移的敏感性。