一种基于相变材料VO?的Q开关光纤激光器

《Optical Fiber Technology》：A Q-switched fiber laser based on Phase-Change material VO 2

钒氧化物（VO?）复合膜作为饱和吸收体，在1.5μm光纤环形腔中实现Q开关激光输出，最高单脉冲能量146nJ，最小脉宽1.75μs，重复率达57.076kHz，Q开关阈值30.15mW。

　　

杨孙|赵岩|刘青宇|梁佳艺|王年龙|张晨|王萌|魏星|段丽娜

陕西师范大学物理与信息技术学院，中国陕西省西安市710119

摘要

二氧化钒（VO₂）是一种具有优异物理和化学性质的金属氧化物，因此在光电器件中得到广泛应用。在本研究中，将聚乙烯醇（PVA）-VO₂用作1.5 μm光纤激光环形腔中的可饱和吸收器（SA）。该系统在最大泵浦功率为279.02 mW时，可实现约146 nJ的单脉冲能量，最小脉冲宽度为1.75 μs，最大重复频率为57.076 kHz。这些结果代表了迄今为止基于VO₂的光纤系统中最短的Q开关脉冲持续时间和最高的重复频率。Q开关系统的Q开关阈值低至30.15 mW。由于PVA-VO₂的可饱和吸收效应，当泵浦功率超过190.74 mW时，单脉冲能量保持稳定。实验测得的光谱调制周期与之前确定的VO₂的相变时间非常吻合。我们发现可以利用VO₂的相变特性来实现数百皮秒量级的光谱幅度周期性自动调节。

引言

Q开关脉冲激光器因其高单脉冲能量和极小的热效应而在激光加工中得到广泛应用。与脉冲固态激光器相比，脉冲光纤激光器具有结构紧凑、无需额外对准以及光束质量优越等优点，因此吸引了大量研究兴趣。可饱和吸收器是产生被动Q开关脉冲的关键组件，包括半导体可饱和吸收镜（SESAMs）[1]、石墨烯[2]、量子点[3]、碳纳米管[4]、拓扑绝缘体[5]、金属有机框架（MOFs）[6]、过渡金属硫属化合物（TMD）[7]、MXenes[8]等。许多研究报道了二维材料作为Q开关器的应用。例如，使用聚乙烯醇（PVA）-LaB₆生成了重复频率为89.6 kHz、单脉冲能量为48.1 nJ的Q开关激光脉冲[9]。此外，锥形WTe₂可饱和吸收器也被用来产生脉冲持续时间为583 ns、单脉冲能量为58.625 nJ的Q开关脉冲[10]。另外，黑磷（BP）也被用于实现单脉冲能量为94.3 nJ的被动Q开关[11]。

在二维材料领域，二氧化钒（VO₂因其相变特性而广受关注，其相变温度为68°C。当温度从低水平升高到相变点时，VO₂从单斜晶系转变为四方晶系[12]、[13]、[14]。这种相变伴随着导电性从绝缘态变为金属态以及红外光透射率的显著降低[15]。这些独特特性使VO₂能够应用于多种领域，包括电控等离子体开关[16]、太赫兹（THz）宽带吸收[17]、水系锌离子电池的阴极材料[18]、高灵敏度和快速响应的红外微探测器[19]以及光学气体传感器[20]。此外，VO₂还可以作为热致变色薄膜来调节红外光透射率，从而调节温度[21]、[22]。其快速的热响应特性通过快速相变实现导电性调制，使其适用于微电光调制器[23]。研究人员已经研究了VO₂的相变周期。Clark等人观察到15 nm厚的VO₂薄膜的透射率在10 ps内达到最大值，并在600 ps内恢复到稳态，周期时间约为610 ps[24]。Lysenko等人报告称，相变过程中的热扩散速率取决于泵浦功率，特征热传递时间约为0.7 ns和0.96 ns[25]。Sakai等人发现，单斜相到金红石相（M → R）的转变在泵浦激发后约30 ps开始；R相持续约20 ps，总周期约为50 ps[26]。Hada等人报告称，在316 K和800 nm飞秒激发下，转变在25 ps内完成，并在约100 ps内松弛，对应的周期约为125 ps[27]。在后续研究中，Hada等人表明，VO₂的积分XRD强度在光激发后15 ps内降低，R相在约100 ps内重新建立，表明周期约为100 ps[28]。我们假设可以利用VO₂的超快相变动力学来调制激光输出。

VO₂的计算带隙为0.57 eV[29]，实测带隙为0.6 eV[30]，使其能够吸收1.5 μm波长的光。在低泵浦条件下，VO₂的载流子恢复时间小于3 ns[31]，表明其具有快速的非线性响应速度。Wang等人利用VO₂的优异物理性质，使用VO₂ D形光纤实现了锁模操作，中心波长为1562 nm，脉冲持续时间为1.28 ps，重复频率为22.91 MHz[32]。Hou等人使用基于VO₂的锥形光纤在2 μm光纤激光器中实现了锁模输出，脉冲持续时间为478 fs，重复频率为160 MHz[33]。此外，Wang等人利用VO₂薄膜在1 μm、1.56 μm和2 μm波长实现了Q开关，并使用基于VO₂的D形光纤在2 μm波长实现了765 fs的锁模操作[34]。尽管取得了这些进展，但对VO₂在被动Q开关激光器中应用的实验研究仍然有限[34]、[35]、[36]、[37]。为了解决这一问题，我们进行了研究，探讨了VO₂在光纤激光器中的Q开关性能。具体来说，我们制备了PVA-VO₂薄膜，并检测了由PVA-VO₂薄膜和光纤跳线组成的可饱和吸收器（SA）的吸收特性。随后，将该SA装置集成到1.5 μm光纤环形腔中以实现Q开关脉冲输出。我们实验观察到由VO₂的可饱和吸收效应主导的Q开关现象，以及主要由VO₂相变效应控制的光谱调制现象。观察到的光谱调制速度分别为250 ps、80 ps、671 ps、41 ps和575 ps，这些时间大致对应于之前报道的相变周期125 ps[27]、100 ps[28]、0.7 ns[25]、50 ps[26]和610 ps[24]。

SA装置的制备与表征

在本研究中，我们采用液相剥离技术将二维材料VO₂分散在去离子水中。首先，将去离子水（5 mL）与十二烷基苯磺酸钠（SDBS）（150 mg）（AR纯度，购自General-reagent）混合并搅拌，以形成溶剂，SDBS作为表面活性剂来提高二维材料的稳定性，从而改善分散效果。随后，加入粉末状VO₂（15 mg）（RG纯度，99%）

实验装置

构建了一个使用PVA-VO₂薄膜的Q开关铒掺杂光纤环形腔，如图6所示。激光系统由一个最大输出功率为700 mW的975 nm激光二极管（LD）提供能量。泵浦光通过980/1550 nm滤光片波长分束器（WDM）引入光纤系统。一根3米长的铒掺杂光纤（I-12，Fibercore）作为增益介质，在1530 nm处的吸收率为20 dB m^?1

结果与讨论

当泵浦功率达到30.15 mW时，产生了稳定的Q开关脉冲序列，表明PVA-VO₂薄膜的Q开关阈值较低。然而，当泵浦功率超过280 mW时，无论如何调整偏振控制器（PC），都无法获得稳定的Q开关脉冲。随着泵浦功率的进一步增加，环形腔转变为连续波激光输出。为了获得最佳脉冲性能，将泵浦功率设置为279.02 mW。

结论

在本研究中，使用液相剥离和聚合物复合技术合成了聚乙烯醇-二氧化钒（PVA-VO₂薄膜，并分析了其可饱和吸收特性。该SA装置表现出12.6%的调制深度、36.8 kW cm^?2的饱和强度和44.7%的非饱和损耗。将其集成到1.5 μm光纤环形谐振腔中后，该装置产生了重复频率在25.046 kHz到57.076 kHz范围内的Q开关脉冲

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：62541514）和陕西省自然科学基础研究计划（项目编号：2024JC-YBMS-550）的支持。感谢研究员王永刚的帮助。