基于多層石墨烯可飽和吸收體的被動調(diào)Q Ho:YAG激光器

崔　錚,陳　毅,姚寶權(quán),段小明,申英杰,申作春,魯建業(yè),戴通宇

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)可調(diào)諧激光技術(shù)國家級重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150001）

基于多層石墨烯可飽和吸收體的被動調(diào)Q Ho:YAG激光器

崔錚,陳毅,姚寶權(quán)*,段小明,申英杰,申作春,魯建業(yè),戴通宇

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)可調(diào)諧激光技術(shù)國家級重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150001）

報道了2 μm被動調(diào)Q的Ho：YAG激光器，該激光器采用Tm3+光纖激光器作為泵浦源，使用多層石墨烯作為可飽和吸收體。在連續(xù)波激光輸出模式下，當(dāng)泵浦功率為4.2 W時，獲得了750 mW激光輸出，輸出激光中心波長為2.09 μm，斜率效率為29.6%。在連續(xù)波激光器諧振腔中插入多層石墨烯可飽和吸收體并調(diào)整諧振腔，獲得了脈沖激光輸出。當(dāng)泵浦功率為4.2 W時，獲得最小脈沖寬度3.1 μs、重復(fù)頻率66.6 kHz的脈沖激光輸出，其最大平均輸出功率為170 mW，斜率效率為12.6%，光束質(zhì)量因子=1.15，=1.12。

固體激光器；被動調(diào)Q；Ho：YAG；多層石墨烯

1 引 言

2 μm波段的被動調(diào)Q固體激光器在很多領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，比如相干微分吸收激光雷達(dá)和激光遙感［1］、激光醫(yī)療［2］，光學(xué)參量振蕩技術(shù)和光學(xué)參量放大技術(shù)［3］等。目前常用于實現(xiàn)2 μm固體激光器輸出的激光介質(zhì)主要為摻雜Tm3+/ Ho3+的激光介質(zhì)。與單摻Tm3+及Tm3+、Ho3+共摻激光介質(zhì)相比，單摻Ho3+激光介質(zhì)由于具有較長的上能級壽命以及較大的發(fā)射截面，非常適合于被動調(diào)Q技術(shù)產(chǎn)生2 μm脈沖激光。目前，常見的飽和吸收體有Cr2+：ZnS［4-7］、Cr2+：ZnSe、PbS量子點材料、InGaAs/GaAs半導(dǎo)體材料［6］和石墨烯［8］。

石墨烯是由碳原子組成的完美二維晶體材料，它的晶格是6個碳原子圍成的六邊形。單層的石墨烯只有一個原子的厚度。石墨烯具有特殊的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)特性。在光學(xué)方面，由于其具有響應(yīng)時間短、恢復(fù)時間快、高透過率和高損傷閾值等性質(zhì)［9］，使其成為可飽和吸收體的理想材料。與Cr2+：ZnS和Cr2+：ZnSe可飽和吸收體相比，石墨烯使用方便、性質(zhì)穩(wěn)定且體積更小。與半導(dǎo)體可飽和吸收鏡相比，石墨烯加工簡便、成本低且具有更低的可飽和吸收閾值。更可貴的是，石墨烯在可見光到紅外波段均具有可飽和吸收的特性［10］，因此石墨烯在被動調(diào)Q及被動鎖模激光方面有很重要的價值。

2014年，Jin［3］與Yao［11］等使用石墨烯可飽和吸收體，先后報道了2 μm被動調(diào)Q Ho：YAG固體激光器，分別實現(xiàn)激光脈寬為632 ns、2.11 μs，激光重頻為43 kHz、57.1 kHz的激光脈沖輸出。Zhao等［12］報道了基于石墨烯的2 μm被動調(diào)Q Ho：YAG陶瓷激光器，輸出激光脈寬為2.6 μs，重復(fù)頻率達(dá)64 kHz。同年，Yao等［10］報道了2 μm被動調(diào)Q Ho：LuAG激光器，使用石墨烯可飽和吸收體實現(xiàn)了脈寬784.7 ns、重復(fù)頻率47.3 kHz的短脈沖激光輸出。2015年，Yao等［13］使用石墨烯可飽和吸收體，實現(xiàn)了2 μm被動調(diào)Q Ho：YLF固體激光器的短脈沖激光輸出，其激光脈沖寬度為651.9 ns，重復(fù)頻率為59.2 kHz。

基于以上考慮因素，我們的工作是通過使用石墨烯可飽和吸收體實現(xiàn)2 μm波段被動調(diào)Q的Ho：YAG激光。同文獻(xiàn)［3］和［11］相比，本文使用的可飽和吸收體為多層石墨烯，其優(yōu)點是調(diào)制深度更大、抗損傷閾值更高。本文實現(xiàn)了2 μm波段連續(xù)泵浦和被動調(diào)Q的Ho：YAG激光器。當(dāng)泵浦光功率為4.2 W時，得到連續(xù)的2.09 μm激光輸出，其功率為750 mW，斜率效率為29.6%。在被動調(diào)Q模式下，得到脈寬3.1 μs、重復(fù)頻率66.6 kHz的激光脈沖輸出，激光波長仍為2.09 μm，平均功率為170 mW，斜率效率為12.6%。

2 實驗裝置

共振泵浦的被動調(diào)Q Ho：YAG激光器實驗裝置如圖1所示。泵浦源是中心波長為1.908 μm的摻Tm3+光纖激光器。Ho：YAG晶體的橫截面尺寸為1.5 mm×6 mm，長度為30 mm，Ho3+的摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為1%。Ho：YAG晶體的兩個端面均鍍制了增透膜（2.1 μm，T＞99.9%；1.9 μm，T＞95%）。泵浦光束通過光束耦合系統(tǒng)匯聚至Ho：YAG晶體內(nèi)，晶體內(nèi)泵浦光束的半徑小于160 μm。

圖1　石墨烯被動調(diào)Q Ho：YAG激光器示意圖Fig.1 Schematic diagram of paassively Q-switched Ho：YAG laser with graphene

為實現(xiàn)調(diào)Q Ho：YAG激光器，我們設(shè)計了一個平凹諧振腔。其中，M1是一面平面鏡，對2.1 μm光束高反，對1.9 μm光束高透。M2是一面二色鏡，對2.1 μm光束高反，對1.9 μm光束高透。M3是一面輸出耦合鏡，其曲率半徑為100 mm，對2.1 μm光有2%的透過率。輸出鏡選擇2%的透過率，是為了克服Ho激光的腔內(nèi)損耗，從而降低激光閾值。石墨烯可飽和吸收體的直徑為10 mm，為多層石墨烯。為了消除泵浦光反射對光纖激光器的影響，光纖的端面切割成5°角。

L型諧振腔的優(yōu)點是能夠防止泵浦光對石墨烯可飽和吸收體的影響?？紤]到Ho：YAG晶體及其他光學(xué)元件的尺寸，為了減小菲涅耳衍射損耗對激光器輸出的影響，諧振腔的長度應(yīng)越短越好?；谝陨峡紤]，諧振腔的物理長度選擇為75 mm。通過Matlab軟件，我們對Ho：YAG激光器諧振腔內(nèi)的光束半徑進(jìn)行了計算。圖2展示了模擬的結(jié)果。在Ho：YAG晶體的中間位置，基模光斑半徑大約為190 μm，石墨烯上基模光斑半徑大約為261 μm。Ho：YAG晶體包裹在銦箔內(nèi)并壓裝入一個銅制熱沉中。晶體內(nèi)的熱沉積由晶體的徑向通過水冷散熱裝置散除，從而使晶體的溫度穩(wěn)定在15℃。

圖2　2.09 μm調(diào)Q Ho：YAG激光器諧振腔內(nèi)的光束半徑Fig.2 Beam radius of 2.09 μm Q-switched Ho：YAG laser inside the resonator

3 結(jié)果與討論

本實驗中，我們首先調(diào)制了連續(xù)波輸出的Ho：YAG激光器，激光輸出中心波長為2.09 μm。當(dāng)入射泵浦功率為4.2 W時，得到750 mW的連續(xù)輸出。相較于入射泵浦功率，斜率效率為29.6%。之后，石墨烯可飽和吸收體被插入諧振腔，調(diào)整諧振腔，得到調(diào)Q脈沖輸出。在調(diào)Q模式下，閾值泵浦功率提升至3 W。當(dāng)入射泵浦功率為4.2 W時，平均輸出功率為170 mW，Ho：YAG激光的斜率效率為12.6%。調(diào)Q模式下的Ho：YAG激光器的平均輸出功率及斜率效率均小于其連續(xù)輸出模式，原因是調(diào)Q模式下插入的石墨烯可飽和吸收體帶來了腔內(nèi)損耗。圖3展示了連續(xù)輸出模式及調(diào)Q模式下，隨著Tm光纖激光器泵浦功率的不同，Ho：YAG激光器的輸出功率的變化。

在調(diào)Q模式下，脈沖寬度和脈沖重復(fù)頻率隨入射泵浦功率的變化關(guān)系如圖4、圖5所示。當(dāng)入射功率接近閾值泵浦功率時，脈沖寬度為3.7 μs。隨著入射泵浦功率逐漸增大至最大值4.2 W，脈沖寬度近似線性地下降至3.1 μs。而當(dāng)入射功率大于閾值泵浦功率時，脈沖重復(fù)頻率與入射功率呈近似線性關(guān)系。當(dāng)入射功率從3 W增加至4.2 W時，脈沖重復(fù)頻率從18.2 kHz增加至66.6 kHz。圖6展示了調(diào)Q輸出單脈沖能量與入射泵浦功率的關(guān)系。當(dāng)入射泵浦功率由3 W增加到4.2 W時，被動調(diào)Q Ho：YAG激光器輸出的單脈沖能量由1.65 μJ增大至2.6 μJ。

圖3　插入石墨烯前后的Ho：YAG激光器的泵浦功率和輸出功率的關(guān)系Fig.3 Output power vs.pump power of Ho：YAG laser with and without graphene

圖4　調(diào)Q模式下的脈沖寬度與入射泵浦功率的關(guān)系Fig.4 Pulse width vs.incident pump power for Q-switched operation

圖5　調(diào)Q模式下的脈沖重復(fù)頻率與入射泵浦功率的關(guān)系Fig.5 Pulse repetition rate vs.incident pump power for Q-switched operation

2.09μm調(diào)Q激光脈沖的時間特性由Lecroy數(shù)字示波器（64Xs系列，2.5 G-采樣/s，600 MHz帶寬）測量。調(diào)整Q開關(guān)，微調(diào)石墨烯的位置使激光從理想的位置入射，得到了穩(wěn)定的調(diào)Q Ho：YAG激光輸出。圖7（a）展示了當(dāng)泵浦功率剛剛達(dá)到閾值泵浦功率3 W時，利用InGaAs探測器得到的調(diào)Q Ho：YAG激光脈沖序列；圖7（b）所示為相應(yīng)的單脈沖波形，其脈沖寬度為3.7 μs。同理，提升泵浦功率達(dá)到4.2 W的調(diào)Q Ho：YAG激光脈沖序列如圖8（a）所示，其單脈沖波形見圖8（b），脈沖寬度變窄至3.1 μs。

圖9展示了Ho：YAG調(diào)Q激光器在平均輸出功率為170 mW時，激光光束在空間的傳播特性。光束通過一個曲率半徑為100 mm的正聚焦透鏡。利用90/10刀口法，測量了幾個不同位置處光束的1/e2半徑。利用高斯光束擬合，擬合結(jié)果為水平方向上=1.15，垂直方向上=1.12，這充分表明光束的傳輸接近衍射極限。

圖7?。╝）泵浦功率為3 W時的Ho：YAG被動調(diào)Q激光脈沖序列；（b）相應(yīng)的單脈沖波形。Fig.7 （a）Pulse train of the Q-switched Ho：YAG laser with the pump power of 3 W.（b）Corresponding pulse profiles of the Q-switched Ho：YAG laser.

圖8?。╝）泵浦功率為4.2 W時的Ho：YAG調(diào)Q激光脈沖序列；（b）相應(yīng)的單脈沖波形。Fig.8 （a）Pulse train of the Q-switched Ho：YAG laser with the pump power of 4.2 W.（b）Corresponding pulse profiles of the Q-switched Ho：YAG laser.

圖9　焦點處調(diào)Q脈沖在水平（x）方向及豎直（y）方向的光斑尺寸（1/e2）Fig.9 Spot size（1/e2）of the Q-switched output beam around the focus in horizontal（x）direction and longitudinal（y）direction

4 結(jié) 論

以一臺1.908 μm摻Tm3+光纖激光器為泵浦源，多層石墨烯為可飽和吸收體，實現(xiàn)了2.09 μm Ho：YAG固體激光器的連續(xù)波輸出及被動調(diào)Q脈沖輸出。當(dāng)泵浦功率為4.2 W時，獲得最大連續(xù)波激光輸出功率750 mW，其斜率效率為29.6%。插入多層石墨烯可飽和吸收體并調(diào)整諧振腔后，得到脈沖寬度3.1 μs、重復(fù)頻率66.6 kHz的連續(xù)脈沖輸出，其平均輸出功率為170 mW，斜率效率為12.6%。這項工作將有助于推動石墨烯被動調(diào)Q激光器的實用化。

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崔錚（1987-），男，黑龍江富錦人，博士研究生，2012年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事中紅外波段固體激光器的研究。

E-mail：cuizheng3333@163.com

姚寶權(quán)（1970-），男，遼寧莊河人，教授，博士生導(dǎo)師，2002年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事中長波紅外非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)及其在醫(yī)療和光電對抗方面應(yīng)用的研究。

E-mail：yaobq08@hit.edu.cn

Passively Q-switched Ho:YAG Laser with Multilayer Graphene-based Saturable Absorber

CUI Zheng，CHEN Yi，YAO Bao-quan*，DUAN Xiao-ming，SHEN Ying-jie，
SHEN Zuo-chun，LU Jian-ye，DAI Tong-yu
（National Key Lab of Tunable Laser Technology，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）
*Corresponding Author，E-mail：yaobq08@hit.edu.cn

A 2 μm passively Q-switched（PQS）Ho：YAG laser pumped by a Tm3+fiber laser was demonstrated with a multilayer graphene as the saturable absorber.In the continuous wave（CW）mode，a 2.09 μm laser with the output power of 750 mW was obtained at the incident pump power of 4.2 W，corresponding to the slope efficiency of 29.6%.By inserting a multilayer graphene as the saturable absorber and adjusting the cavity，we achieved passively Q-switched laser pulses.The minimum pulse duration was obtained at the pump power of 4.2 W with the repetition rate of 66.6 kHz and the pulse width of 3.1 μs.The maximum output power of 170 mW was achieved，corresponding to the slope efficiency of 12.6%.The beam quality factors are M2x=1.15 and M2y=1.12，respectively.

solid-state lasers；passively Q-switched；Ho：YAG；multilayer graphene

TN24

A

10.3788/fgxb20163706.0696

1000-7032（2016）06-0696-05

2016-01-30；

2016-03-23

國家自然科學(xué)基金（61308009，61405047）；中國博士后科學(xué)基金（2015M570290）；哈爾濱工業(yè)大學(xué)科研創(chuàng)新基金（HIT. NSRIF.2014044，HIT.NSRIF.2015042）；黑龍江省杰出青年科學(xué)基金（JQ201310）；黑龍江省博士后科學(xué)基金（LBHZ14085）資助項目