罗丹明6G荧光染料作为可饱和吸收剂，用于铥钬掺杂光纤激光器中产生谐波锁模脉冲

《Optical Fiber Technology》：Rhodamine 6G fluorescent dye as a saturable absorber for harmonic mode-locked pulses generation in thulium-holmium doped fiber lasers

Rhodamine 6G作为新型饱和吸收体在2 μm硫铽光纤激光器中实现被动调Q模式锁定，通过弧形光纤平台增强与染料层的相互作用，FESEM证实其纳米晶结构和螺旋表面形貌，在15.2%调制深度下获得14.6 MHz脉冲 repetition rate和68.7 dB SNR，连续8小时运行稳定性良好，并可通过泵浦功率调节实现9次谐波生成。

　　在现代光子学研究中，光纤激光器因其紧凑的结构、高稳定性和高效的能量转换特性而备受关注。特别是在需要产生超短光学脉冲的应用领域，如生物医学成像、光谱分析和高速通信，被动锁模光纤激光器因其无需外部调制器、结构简单且运行成本低的优势而成为研究热点。被动锁模技术依赖于非线性光学材料作为饱和吸收体（Saturable Absorber, SA），这些材料能够根据入射光强度的变化，动态调整其光学传输特性，从而实现脉冲的自启动和稳定输出。本文探讨了Rhodamine 6G作为一种新型饱和吸收体在2微米波段的铥-钬共掺光纤激光器（THDFL）中实现被动锁模的可能性，同时展示了其在高阶谐波锁模中的潜力。

Rhodamine 6G是一种基于香豆素结构的有机荧光染料，因其在光子学和光电子学中的广泛应用而受到重视。该染料具有优异的光学性能，包括高吸收系数和可调的发射波长，这些特性使其在多种光子应用中表现出色。然而，尽管Rhodamine 6G在可见光波段已被广泛用于激光系统，其在2微米波段的应用仍较为有限。这主要是由于该波段的光子特性与可见光波段存在显著差异，例如更强的材料吸收和散射效应，以及更复杂的非线性相互作用机制。因此，开发适用于2微米波段的高效饱和吸收体，不仅有助于拓展光纤激光器的工作波长范围，还能为相关领域的技术进步提供新的思路。

为了实现Rhodamine 6G在2微米波段的被动锁模功能，研究团队设计了一种特殊的弧形光纤平台，该平台能够有效促进倏逝场与Rhodamine 6G层之间的相互作用。倏逝场是指光在光纤中传播时，其能量会部分渗透到光纤外部，从而与周围的吸收材料发生相互作用。通过优化光纤的几何结构，研究人员成功实现了Rhodamine 6G在2微米波段的高效吸收和非线性响应。这种设计不仅提高了吸收体与激光腔的耦合效率，还增强了系统对环境扰动的抵抗能力，从而确保了锁模脉冲的稳定输出。

在实验过程中，研究人员首先通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）对Rhodamine 6G的表面形貌进行了表征。结果显示，Rhodamine 6G在光纤表面形成了螺旋状的表面结构和纳米晶体特性。这种独特的表面形貌不仅有助于增强其光学吸收能力，还可能对非线性光学效应产生积极影响。此外，通过调整泵浦功率，研究人员观察到了锁模脉冲频率的变化，表明Rhodamine 6G能够支持高阶谐波锁模操作。在最高泵浦功率下，系统能够产生高达第九阶谐波的锁模脉冲，对应于131.6 MHz的重复频率。这一发现进一步证明了Rhodamine 6G在2微米波段的广泛应用潜力。

实验结果表明，使用Rhodamine 6G作为饱和吸收体的THDFL能够产生高质量的锁模脉冲。在泵浦功率为253.5 mW时，系统成功实现了自启动的锁模操作，且锁模脉冲的重复频率稳定在14.6 MHz。脉冲的信号噪声比（SNR）达到68.7 dB，表明输出脉冲具有较高的信噪比和良好的质量。此外，经过8小时的连续运行测试，系统表现出极高的稳定性，信号噪声比的最大波动仅为1.1 dB，这一结果充分说明了Rhodamine 6G作为饱和吸收体在长时运行中的可靠性。

除了基本的锁模操作，研究团队还探索了Rhodamine 6G在高阶谐波锁模中的表现。通过逐步增加泵浦功率，系统能够产生更高频率的锁模脉冲，这一现象可能与非线性光学效应和材料的饱和特性有关。高阶谐波锁模技术在超快光子学领域具有重要意义，它能够提供更短的脉冲宽度和更高的时间分辨率，从而满足更广泛的应用需求。然而，实现高阶谐波锁模通常需要复杂的系统设计和精确的参数调控，而Rhodamine 6G的简单制备过程和良好的非线性响应特性，使其成为一种极具前景的材料。

Rhodamine 6G的制备过程相对简单，只需将Rhodamine 6G粉末溶解在乙醇中，即可形成均匀的饱和吸收体溶液。这一方法不仅降低了材料的制备成本，还减少了对复杂设备和高精度工艺的依赖，使得Rhodamine 6G在实际应用中更具可行性。此外，Rhodamine 6G在常温常压下具有良好的稳定性，不易发生化学分解或光漂白现象，这一特性在长时间运行的激光系统中尤为重要。

在实际应用中，THDFL因其在2微米波段的优异性能，已被广泛应用于生物医学、环境监测和材料加工等领域。例如，2微米波段的激光具有良好的大气穿透能力和低的生物组织损伤阈值，因此在非侵入式生物成像和光谱分析中具有重要价值。同时，由于该波段的激光能够有效激发水分子的吸收，因此在水下探测和环境监测中也展现出良好的应用前景。然而，传统的THDFL系统通常需要复杂的泵浦方案和高成本的饱和吸收体材料，这在一定程度上限制了其实际应用的范围。本文的研究结果表明，Rhodamine 6G作为一种低成本、高效率的有机染料，能够有效解决这些问题，为THDFL在2微米波段的广泛应用提供了新的可能性。

研究团队还对Rhodamine 6G在2微米波段的非线性光学特性进行了深入分析。通过调整染料浓度和泵浦功率，研究人员观察到了其光学吸收特性的变化。随着浓度的增加，Rhodamine 6G的吸收波长出现了明显的红移现象，这一行为可能与染料分子之间的聚集效应有关。在低浓度条件下，Rhodamine 6G主要表现出单分子的吸收特性，而在高浓度条件下，分子间的相互作用会导致吸收波长的偏移。这种特性使得Rhodamine 6G在不同应用场景中具有较高的灵活性，可以根据实际需求调整其吸收波长和非线性响应特性。

此外，Rhodamine 6G在2微米波段的非线性响应特性也得到了验证。通过实验测试，研究人员发现Rhodamine 6G能够在较宽的光强范围内实现有效的饱和吸收效应，这一特性对于实现稳定的锁模操作至关重要。在锁模过程中，饱和吸收体需要在光强较高时迅速降低其透射率，以抑制连续波背景噪声，同时在光强较低时保持较高的透射率，以促进脉冲的形成。Rhodamine 6G的非线性响应特性使其能够满足这一要求，从而确保了锁模脉冲的稳定性和高重复频率。

研究团队还探讨了Rhodamine 6G在不同环境条件下的性能表现。实验结果显示，Rhodamine 6G在常温常压下能够保持良好的光学性能，且在长时间运行过程中不易发生性能退化。这一结果表明，Rhodamine 6G不仅适用于实验室环境下的研究，也具有在实际工程应用中的潜力。此外，Rhodamine 6G的制备过程相对简单，可以通过溶解在适当的溶剂中直接形成饱和吸收体，这一特点使其在大规模生产和实际应用中更具优势。

综上所述，本文的研究成果表明，Rhodamine 6G作为一种新型的饱和吸收体，能够在2微米波段的THDFL中实现高效的被动锁模操作。其优异的光学性能、良好的非线性响应特性和简便的制备过程，使其成为替代传统高成本饱和吸收体材料的理想选择。同时，Rhodamine 6G在高阶谐波锁模中的表现，也进一步拓展了其在超快光子学领域的应用范围。未来的研究可以进一步探索Rhodamine 6G在不同波段和不同激光系统的应用潜力，同时优化其性能以适应更复杂的应用需求。这一研究不仅为2微米波段的THDFL提供了新的解决方案，也为有机染料在光子学领域的应用开辟了新的方向。