《Optik》：Copper Aluminum Oxide for enabling Q-switching and mode-locking in erbium-doped fiber lasers
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本研究通过实验验证了铜铝氧化物（CuAlO?）作为饱和吸收体（SA）在掺铒光纤激光器（EDFL）中实现Q开关和超快模式锁定脉冲生成的能力。在Q开关模式下，泵浦功率范围为132.15-210.62mW，产生脉宽5.03μs、重复率84.96kHz、峰值能量43.55nJ的脉冲，效率1.95%。模式锁定模式下，功率范围141.38-233.7mW，实现3.17ps脉宽和1.792MHz重复率。该研究证实了CuAlO?在光纤激光器中的应用潜力。
Muhammad N.A.H.M. Husaini|Aeriyn D. Ahmad|Masruroh|Osama A. Fouad|Ahmed Mourtada Elseman|Ramadan A. Geioushy|Zulzilawati Jusoh|Sulaiman W. Harun
马来西亚玛拉技术大学工程学院电气工程系，Shah Alam 40450
摘要
本研究通过实验验证了铜铝氧化物（CuAlO?）作为可饱和吸收体（SA）在铒掺杂光纤激光器（EDFL）腔体中用于产生Q开关脉冲和超快锁模脉冲的适用性。该可饱和吸收体是通过将导电氧化物嵌入聚合物基体中形成复合薄膜制备的，随后被集成到两种不同的脉冲生成系统中。在Q开关配置中，通过调节腔体的损耗和增益实现了稳定运行，泵浦功率范围为132.15?mW至210.62?mW。脉冲重复率从66.09?kHz提高至84.96?kHz，脉冲宽度从6.31?μs减小至5.03?μs。激光器工作中心波长为1563.3?nm，最大脉冲能量为43.55?nJ，斜效率为1.95?%。在锁模模式下，通过在腔体内加入100?m的光纤卷实现了自启动的锁模操作，泵浦功率范围为141.38?mW至233.7?mW。在141.38?mW时，锁模EDFL产生的脉冲中心波长为1560?nm，重复率为1.792?MHz，脉冲持续时间为3.17?ps。这些结果表明CuAlO?适用于光纤激光器应用中的脉冲转换器。
引言
作为第三代激光技术的代表，光纤激光器在工业和科学领域得到广泛应用，占据了商业激光市场的很大份额[1]、[2]。它们可以工作在连续波或脉冲模式下。脉冲光纤激光器因其短脉冲宽度和高脉冲能量，在非线性光学和超快光学应用中具有特殊价值，如通信[3]、光学传感[4]和激光加工[5]。Q开关（QS）和锁模（ML）是生成脉冲的两种关键技术。Q开关通过调节激光腔体的品质因数（Q）来实现，释放出微秒级持续时间的脉冲，重复率为千赫兹[6]。而锁模则同步激光腔体的模式，产生峰值功率更高但脉冲能量较低的脉冲。这些技术可以通过主动或被动方式实现，其中被动方法因其紧凑性、灵活性、简单性和低成本而越来越受欢迎。与主动方法不同，被动技术利用置于谐振器中的可饱和吸收体（SA）来生成激光脉冲，无需复杂的光学调制器或电子驱动器。因此，SA材料对于开发被动脉冲激光器至关重要[7]。
过去，半导体SA镜（SESAMs）被广泛研究，并被视为成熟的脉冲转换器技术，在商用激光系统中得到广泛应用，尤其是在固态激光器中[8]。然而，它们的制造成本较高，且操作带宽有限（通常只有几十纳米），限制了其在光纤激光系统中的应用。因此，研究转向了低维碳纳米结构，如石墨烯，因为它们具有低饱和强度、快速恢复时间和低成本等优点[9]。例如，Fu等人使用石墨烯SA器件在1035、1564和1908?nm波段实现了宽带超快脉冲生成[10]。这一成功促使人们进一步研究其他类似石墨烯的二维材料，包括黑磷[11]、拓扑绝缘体[12]、MAX相材料[13]和过渡金属硫属化合物[14]、[15]。此外，大量研究致力于开发基于新兴材料（如有机和聚合物化合物）的新SA[16]、[17]、[18]。实用的SA器件应具有坚固性、成本效益，并适合大规模生产。选择特定应用的SA取决于调制深度、响应时间和饱和强度等因素。寻找新的高性能SA仍然是活跃的研究领域，特别是在超快光子学和非线性光学应用中。
最近，由于透明导电氧化物（TCOs）的多种潜在应用，人们对它们产生了兴趣。这些材料具有导电性，并且在可见光谱范围内对电磁波的吸收相对较小。TCOs通常采用薄膜技术制备，广泛应用于光电设备中，如光电接口、太阳能电池、发光二极管、显示器和半导体激光器[19]。基于铜的德尔福赛特氧化物（CuAlO2）是p型TCOs的有希望的候选材料，对于实现透明半导体应用至关重要。在之前的研究中，Salah等人利用角分辨光电子能谱技术报道了CuAlO2的低能电子结构[20]。还报道了CuAlO2的带隙范围为1.9?eV至13?eV。本文展示了基于CuAlO?的器件在激光应用中的新用途，证明了其作为生成稳定Q开关脉冲和锁模脉冲的有效性。
部分内容
CuAlO2薄膜的制备与表征
多晶CuAlO2样品通过固态反应合成。按化学计量比称量氧化铜（Cu2O）和氧化铝（Al2O3），并以1:1.1的摩尔比混合。混合物使用玛瑙研钵研磨30分钟。然后将混合物放入陶瓷管中，并用陶瓷浆密封。接着将管子在1000°C的烤箱中加热10小时。所得纳米粉末用于制备CuAlO2薄膜
实验装置
为了评估CuAlO2薄膜作为Q开关器和锁模器的有效性，构建了一个铒掺杂光纤激光器（EDFL）腔体，如图4所示。一个980/1550?nm波分复用器（WDM）将980?nm泵浦激光二极管（LD）连接到腔体中，最大输出功率为280.12?mW。增益介质由0.7?m的铒掺杂光纤（EDF）组成，其在980?nm处的吸收系数为68?dB/m，群速度色散（GVD）为–22.7?ps2/km。
结果与讨论
为了评估腔体在没有CuAlO?基SA的情况下生成脉冲的能力，首先移除了薄膜。在广泛的泵浦功率范围内，仅观察到连续波操作，没有自脉冲现象。当泵浦功率达到72.14?mW时开始连续波激光发射。重新插入CuAlO?-PVA薄膜后，当泵浦功率达到132.15?mW时，实现了稳定的Q开关脉冲，且Q开关状态保持稳定
结论
通过将开发的基于CuAlO2的SA集成到EDFL腔体中，成功实现了稳定的Q开关和锁模脉冲生成。该SA是通过将导电氧化物材料与聚合物基体结合形成复合薄膜制备的，放置在两个光纤接头之间，无缝集成到激光腔体中。在Q开关模式下，当泵浦功率在132.15?mW至210.62?mW范围内时，实现了稳定的脉冲生成。
CRediT作者贡献声明
Osama A. Fouad：撰写 – 审稿与编辑、资源准备、方法论、概念构建。Aeriyn D. Ahmad：撰写 – 初稿撰写、方法论、形式分析。Muhammad N. A. H. M. Husaini：方法论、实验研究、形式分析。Masruroh：撰写 – 审稿与编辑、实验研究、概念构建。Ahmed Mourtada Elseman：撰写 – 审稿与编辑、方法论、实验研究、概念构建。Zulzilawati Jusoh：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、概念构建。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系
致谢
作者感谢马来西亚高等教育部在基础研究基金计划（FRGS/1/2022/STG07/UITM/02/7）下的支持。
