基于氧化石墨烯的鎖模激光實(shí)驗(yàn)

程 晨，魏加峰，劉博文，張建友，劉 杰

(山東師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014)

1 引 言

超短脈沖激光在光纖通信、超精細(xì)微加工、醫(yī)學(xué)、非線性光學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景[1-2]. 近年來，半導(dǎo)體二極管激光(LD)泵浦的全固態(tài)超快激光器向?qū)嵱没l(fā)展，獲得超短脈沖激光的主要方法是利用被動(dòng)鎖模技術(shù)及半導(dǎo)體可飽和吸收材料的非線性吸收特性來實(shí)現(xiàn)，但傳統(tǒng)的半導(dǎo)體飽和吸收鏡(SESAMs)因受到材料能隙寬度的限制，對(duì)工作波長要求苛刻，制作工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴，人們一直在尋找一種既有SESAMs的優(yōu)點(diǎn)又具有寬吸收帶和寬帶可調(diào)制的優(yōu)秀飽和吸收體. 自2002年對(duì)碳納米材料光學(xué)開關(guān)特性的研究揭示了該種材料的超快(亞ps)激子衰減時(shí)間以來，有關(guān)碳納米管、石墨烯的非線性光學(xué)特性及鎖模應(yīng)用研究在世界范圍內(nèi)迅速展開，但碳納米管的管狀形態(tài)會(huì)產(chǎn)生較大的散射損耗,提高了鎖模閾值,限制了激光輸出功率和效率. 相比之下，石墨烯類吸收體具有飽和強(qiáng)度低、恢復(fù)時(shí)間短、散射損耗小、損傷閾值高、光譜寬度大等優(yōu)點(diǎn)[3-6]，相對(duì)于傳統(tǒng)的SESAM等飽和吸收體,它們不需要能帶工程設(shè)計(jì)和材料選擇,制備成本低，尤其是氧化石墨烯材料通?？梢圆捎没瘜W(xué)合成的方法來制備，制作成本更低，生產(chǎn)速率較高. 另外，氧化石墨烯溶于水，它在水溶液中的分散效果更好，原料利用率更高，很適合做飽和吸收體[7]. 這給超快激光的研究提供了一個(gè)新的機(jī)遇，關(guān)于石墨烯和氧化石墨烯的超快激光研究已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[8-11].

激光工作物質(zhì)也是全固態(tài)鎖模激光器中重要的元件之一，在眾多激光晶體中，Nd∶YVO4晶體擁有低的激光閾值，在808 nm處具有強(qiáng)和寬的吸收譜線，高的吸收系數(shù)，在1.06 μm處具有大的受激發(fā)射截面，是一種適合用于LD泵浦的高效激光晶體[12-13]. 實(shí)驗(yàn)裝置本著低成本、概念清晰直觀、易于操作的原則，選擇了Nd∶YVO4作為工作物質(zhì)，并采用透射式氧化石墨烯作為飽和吸收體，直接插入諧振腔內(nèi)，獲得了LD端面泵浦Nd∶YVO4晶體的連續(xù)波1 064 nm鎖模激光運(yùn)轉(zhuǎn)輸出，重復(fù)頻率為81 MHz，最大平均輸出功率為1.23 W，相應(yīng)的鎖模單脈沖能量15.2 nJ. 同時(shí)也很方便地觀測(cè)到了連續(xù)鎖模激光實(shí)現(xiàn)過程中的幾種運(yùn)轉(zhuǎn)變化狀態(tài).

2 LD泵浦Nd∶YVO4/石墨烯被動(dòng)鎖模激光實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)采用的氧化石墨烯飽和吸收體是通過氧化石墨粉溶解在10 mL的十二烷基硫酸鈉(SDS)水溶液中，用超聲波鼓動(dòng)水溶液讓大塊的氧化石墨沉淀，用離心機(jī)分離溶液，然后將分離后的溶液倒入有親水性的聚苯乙烯玻璃單元中. 放在40 ℃的烤箱中慢慢蒸發(fā)變干，就制備成了透射式氧化石墨烯[11,14].

激光諧振腔是激光器的重要組成部分，激光的光束質(zhì)量主要由諧振腔的性能決定[15]. 諧振腔設(shè)計(jì)的目的就是尋求一組合理的腔結(jié)構(gòu)參量，使所對(duì)應(yīng)的基模高斯光束與泵浦光、耦合系統(tǒng)以及插入腔內(nèi)的元件有很好的模式匹配，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)(CWML)，實(shí)現(xiàn)超短脈沖激光的輸出. 本文基于ABCD矩陣設(shè)計(jì)優(yōu)化腔型，將諧振腔設(shè)計(jì)為W型折疊腔結(jié)構(gòu). 利用Matlab軟件對(duì)LD端面泵浦的Nd∶YVO4激光器諧振腔進(jìn)行了理論設(shè)計(jì). 理論計(jì)算得知該腔可實(shí)現(xiàn)連續(xù)鎖模，晶體處的基模高斯光束與泵浦光達(dá)到了很好地模式匹配，并且在可飽和吸收體處子午面光斑半徑和弧矢面光斑半徑幾乎是重合的，這樣好的光斑模式非常有利于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)鎖模運(yùn)轉(zhuǎn). 同時(shí)計(jì)算得知，可飽和吸收體應(yīng)該放置在緊靠輸出鏡處. 根據(jù)U. Keller等人提出的實(shí)現(xiàn)連續(xù)鎖模的條件[16]：

則當(dāng)腔內(nèi)脈沖能量EpEp,c時(shí)，可以得到連續(xù)鎖模激光輸出. 式中EL,sat和EA,sat分別是增益介質(zhì)和飽和吸收體的飽和能量,ΔR是飽和吸收體的最大調(diào)制深度,Ep,c為臨界腔內(nèi)脈沖能量.

被動(dòng)鎖模Nd∶YVO4/SA激光器實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示. 泵浦源是帶光纖耦合輸出的半導(dǎo)體激光器(LYPE30-SG-WL808-F400型)發(fā)射譜線的中心波長為808 nm，最大輸出功率為30 W，光纖的數(shù)值孔徑為0.22，光纖芯徑400 μm，激光束經(jīng)1∶1聚焦耦合系統(tǒng)入射到激光介質(zhì)上. 激光晶體為Nd∶YVO4晶體，Nd離子的摻雜濃度為0.5%，尺寸為4 mm×4 mm×8 mm，晶體側(cè)面用銀箔紙包裹并置于銅制架內(nèi)，并用循環(huán)水冷卻. 圖1中輸入鏡M1是平鏡，鍍有808 nm的高透膜和1 064 nm的高反膜；腔鏡M2,M3,M4均是鍍有1 064 nm高反膜的反射鏡，曲率半徑分別為：200 mm，800 mm和500 mm，鍍有1 064 nm的高反膜；M5是透過率為5 %的輸出平鏡. 氧化石墨烯可飽和吸收體(SA)放置在靠近輸出鏡M5的位置處，以布儒斯特角放置. 用快速光電探測(cè)器(New Focus 1611-AC-FSM,上升時(shí)間400 ps)和帶寬為1 GHz的數(shù)字示波器(Tektronix TDS5104,USA)測(cè)量激光脈沖信號(hào). 功率測(cè)量用以色列制造的OPHIR(30 A-SH-V1)型功率計(jì).

圖1 Nd∶YVO4/SA激光器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

諧振腔設(shè)計(jì)根據(jù)ABCD矩陣定律利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)LD端面泵浦的Nd∶YVO4激光器W型諧振腔進(jìn)行了理論模擬計(jì)算，飽和吸收體處的光斑半徑大約60 μm, 設(shè)置距離L1=150 mm，L2=290 mm，L3=1 100 mm，L4=310 mm；總腔長L=1 850 mm. 各鏡間的折角盡可能小，從而減小由折疊產(chǎn)生的像散.

實(shí)驗(yàn)中先對(duì)LD泵浦Nd∶YVO4連續(xù)激光諧振腔進(jìn)行調(diào)試，使其輸出的連續(xù)激光始終保持TEM00模式，并達(dá)到最佳工作狀態(tài). 然后把氧化石墨烯飽和吸收體插入激光腔內(nèi)，并靠近輸出鏡放置，仔細(xì)調(diào)節(jié)使其達(dá)到最佳模式匹配，采用激光功率計(jì)測(cè)量激光輸出功率，并通過快速光電探測(cè)器在示波器上觀察調(diào)制情況. 圖2給出了平均輸出功率隨泵浦輸入功率的變化，可以看出，隨著泵浦功率的增加，鎖模激光輸出功率線性上升，沒有出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，振蕩泵浦閾值功率約為0.75 W，激光振蕩閾值功率為18 mW，最初激光器工作在調(diào)Q鎖模(QML)階段，且調(diào)制深度隨著泵浦功率的增加而加深，從部分調(diào)制到100%的調(diào)制，當(dāng)泵浦功率超過4 W時(shí)，激光器開始工作在連續(xù)鎖模狀態(tài)，當(dāng)泵浦功率達(dá)到4.15 W時(shí)，鎖模脈沖序列變得穩(wěn)定,在泵浦功率從4.15 W到9.46 W的變化過程中,通過快速光電探測(cè)器，在示波器上一直可以觀測(cè)到穩(wěn)定的連續(xù)鎖模(CWML)脈沖序列波形，當(dāng)泵浦功率為9.46 W時(shí)，最大輸出功率達(dá)1.23 W，斜率效率為17.0%，光-光轉(zhuǎn)換效率為13%. 處于保護(hù)激光晶體和吸收體的考慮，沒有繼續(xù)加大泵浦功率. 若在氧化石墨烯的表面鍍上1 064 nm的增透膜，有望實(shí)現(xiàn)更高效率或功率的鎖模激光運(yùn)轉(zhuǎn).

圖2 鎖模激光平均輸出功率隨泵浦功率的變化曲線

圖3是在最大泵浦功率9.46 W下示波器顯示的連續(xù)鎖模序列波形(時(shí)間間隔分別是1 μs，200 ns和10 ns)，鎖模脈沖重復(fù)頻率為81 MHz，與公式f=c/(2L)(c為光在真空中的傳播速度，L為總腔長)計(jì)算值相吻合,鎖模的單脈沖能量為15.2 nJ. 鎖模脈沖的單脈沖寬度從示波器顯示的情況看,在整個(gè)鎖模形成的泵浦區(qū)間里基本沒有變化,根據(jù)示波器上單個(gè)鎖模脈沖的顯示信息和探測(cè)器的上升時(shí)間等參量，可以初步估算出鎖模脈沖的寬度大約在10 ps量級(jí),更精確的鎖模脈沖寬度測(cè)量因?qū)嶒?yàn)室自相關(guān)儀故障未能進(jìn)行,有待以后的實(shí)驗(yàn)研究. 若進(jìn)一步優(yōu)化氧化石墨烯的性能和激光諧振腔參量, 脈沖寬度有望達(dá)ps量級(jí).

(a)1 μs/div

(b)200 ns/div

(c)10 ns/div圖3 示波器顯示的鎖模脈沖序列圖

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了低成本、概念清晰直觀的被動(dòng)鎖模激光實(shí)驗(yàn)，利用透射式氧化石墨烯作可飽和吸收體，直接插入LD泵浦Nd∶YVO4鎖模激光諧振腔內(nèi)，可以直觀的觀察到激光的各種不同的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，在泵浦功率超過4 W時(shí)，得到了穩(wěn)定的連續(xù)鎖模激光脈沖輸出，鎖模的最高功率達(dá)1.23 W，鎖模脈沖重復(fù)頻率為81 MHz，單脈沖能量為15.2 nJ，脈沖寬度在10 ps量級(jí)，展示了氧化石墨烯作為非線性飽和吸收材料具有的優(yōu)異性能，有利于實(shí)現(xiàn)高功率、長時(shí)間穩(wěn)定的鎖模運(yùn)轉(zhuǎn). 隨著石墨烯材料制備手段的逐步完善，成本逐步降低，大規(guī)模應(yīng)用將逐步成為現(xiàn)實(shí)，在不久的將來，石墨烯極為有可能替代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體可飽和吸收體而成為應(yīng)用廣泛的飽和吸收調(diào)制器件. 另外，石墨烯不僅可以應(yīng)用于超快脈沖激光的產(chǎn)生，同時(shí)在光纖孤子通信、光開關(guān)等諸多現(xiàn)代光電器件中也是極有應(yīng)用前景的多功能光電材料.

參考文獻(xiàn)：

[1] Yamane K, Zhang Z G, Oka K, et al. Optical pulse compression to 3.4 fs in the monocycle region by feedback phase compensation [J]. Optics Letters, 2003,28(22):2258-2260.

[2] Eller U K, Miller D A, Boyd G D, et al. Solid-state low-loss intracavity saturable absorber for Nd:YLF lasers: an antiresonant semiconductor Fabry-Perot saturable absorber [J]. Opt. Lett., 1992,17(7):505-507.

[3] Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Electric field effect in atomically thin carbon films [J]. Science, 2004,306(5696):666-669.

[4] Geim A K, Novoselov K S. The rise of grapheme [J]. Nature Materials, 2007,6(3):183-191.

[5] Zheng Z, Zhao C, Lu S, et al. Microwave and optical saturable absorption in grapheme [J]. Optics Express, 2012,20(21):23201-23214.

[6] 何京良，郝霄鵬，徐金龍，等. 基于石墨烯可飽和吸收被動(dòng)鎖模超快全固體激光器的研究[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào)，2011,31(9):0900138.

[7] 王勇剛，曲遵世，劉杰,等. 碳基吸收體被動(dòng)鎖模大功率皮秒激光器[J]. 中國激光,2012,39(7):0702001.

[8] Bao Q L, Zhang H, Wang Y, et al. Atomic-layer graphene as a saturable absorber for ultrafast pulsed lasers [J]. Advanced Functional Materials, 2009,19(19):3077-3083.

[9] Zhang H, Bao Q L, Tang D Y, et al. Large energy soliton erbium-doped fiber laser with a graphene-polymer composite mode locker [J]. Applied Physics Letters, 2009,95(14):141103-141103-3.

[10] Sun Z P, Hasan T, Torrisi F, et al. Graphene mode-locked ultrafast laser [J]. ACS Nano, 2010,4(2):803-810.

[11] Wang Y G, Chen H R, Wen X M, et al. A highly efficient graphene oxide absorber for Q-switched Nd∶GdVO4lasers [J]. Nanotechnology, 2011,22(45):455203.

[12] Liu Y, Wang Y, Liu J, et al. High power ultrafast Nd∶YVO4laser mode locked by single wall carbon nanotube absorber [J]. Applied Physics B, 2011,104:835-838.

[13] 肖德志,劉丹華,劉杰. 利用被動(dòng)鎖模技術(shù)實(shí)現(xiàn)超短脈沖激光輸出實(shí)驗(yàn)[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2011,31(10):1-4.

[14] Liu J, Wang Y G, Qu Z S, et al. Graphene oxide absorber for 2 μm passive mode-locking Tm:YAlO3laser [J]. Laser Physics Letters, 2012,9(1)15-19.

[15] 周炳琨,高以智,陳倜嶸，等. 激光原理[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2009:25.