利用D形聚丙烯腈（D-PAN）饱和吸收体实现超短脉冲掺铒光纤激光器的产生

《Ophthalmology Science》：Ultrashort pulse erbium doped fiber laser generation using D-shape Polyacrylonitrile (D-PAN) saturable absorber

超短脉冲生成成功应用D-PAN饱和吸收体，通过D型光纤 polished FAC实现高效模式锁定，在1530nm波段输出900fs脉冲，测试表明其具备宽泵浦功率适应性（2.3-9.93mW平均功率，1.2-5.2kW峰值功率）和81dB高信噪比，为通信和生物医学应用提供新方案。

　　

艾哈迈德·哈齐克·阿伊曼·罗索尔（Ahmad Haziq Aiman Rosol）| 阿祖拉·哈姆扎（Azura Hamzah）| 艾瑞茵·D·艾哈迈德（Aeriyn D. Ahmad）| 苏莱曼·瓦迪·哈伦（Sulaiman Wadi Harun）

马来西亚马来亚大学工程学院电气工程系光子工程实验室，地址：50603 吉隆坡，马来西亚

摘要

本文成功利用D形聚丙烯腈（D-PAN）饱和吸收器实现了超短脉冲的生成。该饱和吸收器是通过将D形光纤的一侧用自制的抛光机用PAN溶液进行抛光处理制备而成的。工作波长为1530纳米的锁模激光器产生了持续时间为900飞秒的超短脉冲。泵浦功率在81.97毫瓦到254.12毫瓦之间变化，平均输出功率范围为2.3毫瓦至9.93毫瓦。脉冲峰值功率在1.2千瓦到5.2千瓦之间，斜率效率为4.42%。脉冲能量介于1.24纳焦到5.37纳焦之间，重复频率保持在1.85兆赫。所获得的信噪比（SNR）为81分贝，表明这种超短脉冲适用于先进的光学系统和电信应用。

引言

近年来，产生超短脉冲的锁模光纤激光器技术取得了显著进展，重点在于利用各种饱和吸收器来实现稳定且高效的操作。由于其性能和可靠性的提升，这类激光器在电信、遥感和生物医学领域受到了广泛关注[1]、[2]、[3]。

被动饱和吸收器对于通过被动锁模或Q开关技术生成超短或短脉冲至关重要[4]、[5]。不同类型的被动饱和吸收器，如石墨烯、金纳米星等贵金属、半导体饱和吸收镜（SESAMs）、多层二硫化钼（MoS₂）以及拓扑绝缘体（如Bi₂Se₃和Bi₂Te₃），各自具有独特的优缺点，并已被用于脉冲生成。石墨烯饱和吸收器因其宽带吸收、高损伤阈值和快速恢复时间而受到青睐，适用于超快激光应用[6]、[7]、[8]。然而，石墨烯相对较低的调制深度在某些情况下可能会限制其性能[9]。相比之下，多层MoS₂饱和吸收器具有可调性和高损伤阈值，适用于Q开关光纤激光器[10]。此外，拓扑绝缘体（如Bi₂Se₃和Bi₂Te₃）由于其独特的性质，在光纤激光器中实现了被动Q开关，展现出良好的潜力[11]。这些材料提供了稳定的性能，但在大规模生产和集成到激光系统中可能会面临挑战。

近年来，由于聚丙烯腈（PAN）的优异性能，它被广泛应用于光纤激光器中。PAN是一种合成的半结晶有机聚合物树脂，具有较高的热稳定性，因为在300摄氏度以上时它会发生降解而非熔化[12]。这种稳定性确保了材料在光纤激光器操作中通常遇到的极端条件下的性能。此外，PAN可溶于二甲基甲酰胺（DMF）和硫氰酸钠水溶液等极性溶剂中，便于用于制备和涂覆饱和吸收器的过程[13]。虽然DMF对纯PAN具有优异的溶解能力，但其毒性引发了环境问题[14]。为了实现可持续和稳定的水基制备，本研究使用聚乙烯醇（PVA）作为聚合物稳定剂和增稠剂。该系统成功地将功能性PAN粉末分散在水中，为最终的光纤应用提供了所需的稳定性和流变性能。

超快光纤激光器的最新进展强调了紧凑、坚固且易于应用的设计，同时在脉冲缩短、噪声降低和新型腔体工程方面取得了持续进步，以实现1.5微米电信波段的稳定运行[15]、[16]。现代综述总结了孤子管理和色散控制技术、中红外扩展以及环境稳定性的进步，突显了新型饱和吸收材料和腔体结构对性能提升的重要性。

D形光纤几何结构已成为集成饱和吸收材料的流行平台。例如氧化铟锡（ITO）、二氧化钒（VO₂）、金和银等贵金属纳米颗粒以及金属氧化物纳米颗粒[17]、[18]、[19]。D形光纤的抛光端面增强了长距离的衰减场相互作用，同时保持了全光纤结构。D形设计使配置简单、损耗低，适用于Q开关和锁模。与仅在光纤芯尖处与材料相互作用的套管型饱和吸收器不同，D形几何结构提供了更长的衰减场相互作用长度，从而提高了设备的调制深度和光学损伤阈值[20]。最近，聚合物饱和吸收器也在这种几何结构中得到了研究。特别是聚丙烯腈（PAN）被证明是一种具有良好调制深度、热稳定性和易于加工的聚合物基饱和吸收器[21]、[22]。这些特性使得PAN成为2D材料和无机纳米颗粒在可扩展饱和吸收器制造中的实用替代品。

本文提出了一种新型的D形聚丙烯腈（D-PAN）饱和吸收器（SA），用于在掺铒光纤激光器中生成超短脉冲。据我们所知，这是首次报道将D-PAN作为饱和吸收器应用于这一领域。与传统饱和吸收器（如石墨烯、MoS₂或拓扑绝缘体）不同，后者通常需要复杂的或昂贵的制备步骤，PAN提供了一种基于聚合物的、低成本且环保的替代方案，具有高热稳定性、宽光谱吸收和快速恢复时间。通过将PAN集成到D形光纤结构中，实现了强烈的衰减场相互作用，从而在紧凑且坚固的结构中实现高效的饱和吸收。这种材料简单性、制备可扩展性和竞争性性能的结合，为1.5微米波段的锁模光纤激光器的发展指出了实用且创新的方向，具有在电信、遥感和生物医学系统中的广泛应用前景。

部分摘录

D-PAN饱和吸收器的制备和制造

制造过程分为两个主要部分：聚丙烯腈（PAN）溶液的制备和D形光纤的制造。首先，将5毫克白色PAN粉末（(C3H3N)n，CAS编号25014–41-9，P823208，Macklin Biochemical Technology）与5毫升聚乙烯醇（PVA）水溶液混合。该溶液使用溶解在去离子水（DI water）中的PVA（功能性聚合物稳定剂）制备而成。选择PVA作为宿主聚合物是因为它可以防止...

D-PAN饱和吸收器的表征

图3展示了使用双平衡检测方案测量的PAN涂层D形光纤饱和吸收器的非线性光学吸收特性。测量使用脉冲持续时间为3.4皮秒、重复频率为1.8兆赫、波长为1550纳米的激光源进行。图表显示了吸收强度与入射功率之间的关系。饱和吸收器表现出典型的非线性行为，即吸收随光功率的增加而减少...

实验装置

图7展示了所提出的锁模掺铒光纤激光器（EDFL）的设计。该激光腔采用100米长的常规单模光纤（SMF）来延长激光腔长，从而便于产生皮秒脉冲。该装置包括掺铒光纤（EDF）、基于聚苯胺（PANI）的饱和吸收器（SA）和输出耦合器等关键组件。使用1.8米的EDF作为有源增益介质，该组件展示了核心和包层的...

结果与讨论

在较低的泵浦功率71.53毫瓦下观察到了连续波（CW）操作，表明整个环形腔体的损耗较低。将D-PAN饱和吸收器集成到腔体后，在相同的泵浦功率81.97毫瓦下实现了锁模。这种集成导致波长向短波方向移动，称为蓝移。图8显示了集成D-PAN饱和吸收器前后光谱的变化。添加D-PAN饱和吸收器后观察到的蓝移...

结论

总之，使用D-PAN饱和吸收器成功生成超短脉冲证明了这种新方法的有效性。通过将PAN溶液涂覆在抛光后的D形光纤上制备的D-PAN饱和吸收器，使锁模激光器能够在1530纳米的波长下工作，产生持续时间为900飞秒的超短脉冲。该系统在81.97毫瓦到254.12毫瓦的泵浦功率范围内表现出稳定的性能...

CRediT作者贡献声明

艾哈迈德·哈齐克·阿伊曼·罗索尔（Ahmad Haziq Aiman Rosol）：撰写——原始草稿，概念构思。 阿祖拉·哈姆扎（Azura Hamzah）：方法论。 艾瑞茵·D·艾哈迈德（Aeriyn D. Ahmad）：形式分析，数据管理。 苏莱曼·瓦迪·哈伦（Sulaiman Wadi Harun）：撰写——审稿与编辑，验证。

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

本研究得到了马来亚大学2025年研究卓越基金（UMREG016-2025）的支持。