基于金納米棒可飽和吸收體的Nd:YSAG被動調(diào)Q激光器

張倩倩, 劉倩慧，安珍妮，李健

(山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山東省光學(xué)與光子器件技術(shù)重點實驗室，山東 濟南 250014)

基于金納米棒可飽和吸收體的Nd:YSAG被動調(diào)Q激光器

張倩倩, 劉倩慧，安珍妮，李健*

(山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山東省光學(xué)與光子器件技術(shù)重點實驗室，山東 濟南 250014)

以新型金納米材料為可飽和吸收體，研究了LD端面泵浦的Nd:YSAG被動調(diào)Q激光器的激光輸出特性。實驗中通過調(diào)整金納米棒的長徑比等參數(shù)，成功地將金納米棒材料由表面等離子體共振引起的非線性吸收峰調(diào)控到Nd:YSAG激光的輸出波長1 062nm處，并成功獲得了穩(wěn)定的被動調(diào)Q激光輸出，在泵浦功率為4.9W時，激光器的平均輸出功率為14mW, 此時，激光脈沖寬度為944.1ns，重復(fù)頻率100.1kHz。實驗結(jié)果表明，金納米材料在脈沖激光領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

Nd:YSAG; 金納米棒；被動調(diào)Q

Electronics，ShandongNormalUniversity,Jinan250014,China)

全固態(tài)激光器因其結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長和光束質(zhì)量高等優(yōu)點在工業(yè)加工領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、國防領(lǐng)域等方面得到了廣泛的應(yīng)用。作為固態(tài)激光器的一個重要組成部分，調(diào)Q激光器因結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，一直以來都受到激光器研究人員的青睞。自調(diào)Q技術(shù)首次提出并被實驗驗證以來，不同的課題組分別提出多種調(diào)Q方法，固體調(diào)Q激光器正向著大功率、高峰值功率、超短脈沖寬度等目標不斷地發(fā)展進步。不同技術(shù)及實驗手段的革新，推動了固體激光器調(diào)Q技術(shù)的一次次突破性的進展。其中，被動調(diào)Q激光器無需外加的電子調(diào)Q開關(guān)器件，只需在激光諧振腔內(nèi)放置可飽和吸收體，利用其對特定光的飽和吸收效應(yīng)即可實現(xiàn)特定光的脈沖激光輸出。

作為被動調(diào)Q激光的重要組成部分，可飽和吸收體的發(fā)展一直受到研究者的重視。理想的可飽和吸收體應(yīng)該具備超快的響應(yīng)時間、較寬的吸收帶寬、較大的三階非線性系數(shù)以及較低的制備成本等特點。起初，在實驗中應(yīng)用較為廣泛的有染料、色心材料、摻Cr4+的晶體等等。隨后，半導(dǎo)體可飽和吸收鏡、碳納米管、石墨烯又被應(yīng)用到被動調(diào)Q技術(shù)中[1-4]。近幾年，貴金屬材料因其具有較大的三階非線性和皮秒級的反應(yīng)時間，已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，比如超快通訊、光學(xué)信息處理、全光學(xué)開關(guān)、光數(shù)據(jù)存儲器以及光限幅等[5-8]。金納米粒子由于其在光動力治療、生物傳感、超高分辨率成像等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，而受到研究者的關(guān)注，這些應(yīng)用的實現(xiàn)主要依賴于金納米顆粒優(yōu)越的物理性能，這種性能主要來源于其表面等離子體共振(SPR)[9-12]。

本文中，我們采用的是一種新的飽和吸收體——金納米棒。金納米材料由于其自身特有的光學(xué)性質(zhì)，已經(jīng)在生物醫(yī)療領(lǐng)域、信息存儲領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。在光學(xué)領(lǐng)域，通過研究我們發(fā)現(xiàn)隨著金納米棒長徑比的改變，其表面等離激元共振峰的位置也會發(fā)生改變，因此，它具有可調(diào)諧的吸收峰，這使得，基于金納米棒可飽和吸收體的被動調(diào)Q激光器有望覆蓋可見波段到紅外波段。2012年Jiang等[13]，以摻有羧甲基纖維素鈉的長徑比為6.8的金納米棒薄膜為飽和吸收體，以摻鉺光纖為增益介質(zhì)，研制出脈沖寬度9.6μs，重復(fù)頻率為22.9kHz的調(diào)Q激光器。2013年Kang等[14]以長徑比為4.5的金納米棒薄膜為可飽和吸收體，以摻鐿石英光纖為增益介質(zhì)，研制出波長為1 039nm的鎖模光纖激光器，其脈沖寬度為440ps，重復(fù)頻率為36.6MHz，平均功率為1.25mW。并換用長徑比為5的金納米棒薄膜，研制出波長為1 982nm的鎖模光纖激光器，脈沖寬度為4.02ps，重復(fù)頻率為37.49MHz，平均功率為6mW。2015年Huang等[15]通過將聲光調(diào)Q與金納米棒被動調(diào)Q相結(jié)合的方式，以Nd：YAG為增益介質(zhì)，產(chǎn)生了脈沖寬度為120ns，重復(fù)頻率為5kHz的脈沖激光。在本文中，我們采用金納米棒為飽和吸收體，以Nd：YSAG晶體為增益介質(zhì)，實現(xiàn)了被動調(diào)Q脈沖輸出。

1 實驗設(shè)計

現(xiàn)在，制備金納米棒的方法有反應(yīng)性模板晶粒生長法、電化學(xué)增長法、光化學(xué)生長法和種子生長法等[16-21]。本文中用到的金納米材料采用的是種子生長法制備，此外，由于金納米顆粒的飽和吸收性由其SPR決定，金納米棒的飽和磁化強度也取決于納米棒的激發(fā)波長、形狀和尺寸等[22-24]。實驗中通過調(diào)控種子生長的時間等因素，從而控制金納米棒的長徑比等參數(shù)而成功將金納米材料的SPR吸收峰調(diào)控到1 062nm處。

圖1a為金納米棒的透射電鏡(transmissionelectronmicroscope，TEM)圖，通過TEM圖片可以看出金納米棒的分布較為均勻，樣品呈現(xiàn)出規(guī)則的棒狀，長度約65nm，直徑約9nm，長徑比約為6.75。圖1b是長徑比為6.75的金納米棒的吸收譜。從吸收譜線可以看出，該金納米棒在518nm波長附近存在一個橫向表面等離子激元共振吸收峰，在1 062nm波長附近存在一個縱向表面等離子激元共振吸收峰。因此，用該金納米材料做可飽和吸收體而實現(xiàn)Nd:YSAG的被動激光輸出是合適的。

實驗裝置如圖2所示。采用輸出波長為808nm的LD作為泵浦源，泵浦源輸出功率是30W, 數(shù)值孔徑為0.22 芯徑 800μm。經(jīng)過耦合透鏡組準直聚焦后，端面抽運Nd：YSAG晶體。晶體尺寸為4mm×4mm×8mm,Nd3+摻雜質(zhì)量分數(shù)為0.6%(沒有鍍膜)。實驗中對Nd：YSAG晶體采用水冷降溫。本實驗的諧振腔采用超短的平-凹腔結(jié)構(gòu)，腔長為2.3cm。其中，M1是半徑為2 000mm的凹面鏡，左側(cè)S1面鍍有808nm的增透膜，右側(cè)S2面鍍有1 020nm～1 300nm的高反膜和808nm的增透膜。M2是對波長為1 064nm激光的透過率為10%的平鏡。本實驗被動調(diào)Q所采用的飽和吸收體是金納米棒薄膜，將帶有金納米棒薄膜的玻璃片緊貼輸出鏡放置。輸出的光用ET-3000接收，輸入到型號為“TDS5104 1G5GS”的示波器中，觀察脈沖波形，并用功率計測量激光功率。

圖1 金納米棒可飽和吸收薄膜的TEM圖和相應(yīng)的吸收光譜Fig.1 TEM image and the absorption spectrum of the Au Nano-rod SA.

圖2 Nd:YSAG激光器的實驗裝置圖。Fig.2 Experimental setup of the Nd:YSAG laser

2 實驗數(shù)據(jù)分析

圖3是Nd:YSAG激光器的輸出激光光譜，通過光譜分析儀器得到的數(shù)據(jù)可以看出，在808nm泵浦下，得到1 062nm的激光輸出。由于諧振腔對其他躍遷波長的高損耗設(shè)計，實驗中沒有發(fā)現(xiàn)其他波長的激光躍遷出現(xiàn)。

圖3 Nd：YSAG激光器的輸出激光光譜Fig.3 The output spectrum of the Nd:YSAG laser

當腔內(nèi)未加入金納米棒飽和吸收體時，我們研究了在808nm泵浦下產(chǎn)生的1 062nm連續(xù)光的輸出特性，如圖4所示。圖4反應(yīng)了隨著輸入功率的增加，輸出功率和光-光轉(zhuǎn)化率的變化情況，該激光器的閾值功率為2.2W。隨著輸入功率的增加，輸出功率呈線性增加。最大輸出功率為3.32W，此時相應(yīng)的光-光轉(zhuǎn)化率為25.54%。由于實驗中所用到的Nd:YSAG晶體并沒有鍍膜，后期的實驗中如果對晶體鍍1 062nm的高透膜，相信可以獲得更高的激光功率輸出和更高的光-光轉(zhuǎn)換效率。為了保護激光晶體，實驗中最大的泵浦功率為13W，但是此時由圖4可以看出激光的輸出功率并沒有達到飽和狀態(tài)，如果增加泵浦功率，應(yīng)該可以得到更大的輸出功率。

圖4 連續(xù)光的輸出功率和光-光轉(zhuǎn)換效率Fig.4 Output power and conversion efficiency versus the pumping power.

將金納米棒薄膜緊貼輸出鏡插入諧振腔內(nèi)，當輸入功率達到4.9W時產(chǎn)生了穩(wěn)定的調(diào)Q脈沖串，如圖5所示，脈沖功率為14mW。從圖5中可以看出，此時所產(chǎn)生的脈沖的重復(fù)頻率是100.1kHz，相應(yīng)的單脈沖寬度為944.1ns。此時的單脈沖能量為1.4×10-4mJ，峰值功率為0.14W。當輸入功率增加時，可以發(fā)現(xiàn)脈沖串的脈寬變窄，重復(fù)頻率變大。但當輸出功率超過5.8W時便不再有脈沖串出現(xiàn)，此時由于功率過高，金納米材料出現(xiàn)熱凝聚現(xiàn)象而使得飽和吸收特性降低，進而使金納米棒薄膜不能正常工作。所以保證金納米材料的穩(wěn)定性是以后研究的重要課題。

圖5 泵浦功率為4.9 W時的脈沖串和單脈沖圖Fig.5 A typical pulse train achieved from Q-switched operation at a pulse repetition rate of 101.1 kHz with pump power of 4.9 W.

3 總結(jié)

本文研究了基于新型金納米材料的Nd:YSAG被動調(diào)Q激光器的輸出特性，實驗中得到了穩(wěn)定的調(diào)Q激光輸出。獲得的最大的輸出功率為14mW，此時的最小脈沖寬度為944.1ns，實驗結(jié)果充分驗證了金納米材料做為可飽和吸收體而獲得脈沖激光的可行性。后期的實驗中，將對激光器輸出功率的提升及金納米材料的穩(wěn)定性等方面進行進一步的實驗和理論研究。

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Nd:YSAGpassivelyQ-switchedlaserusingAuNano-rodassaturableabsorber

ZHANGQian-qian,LIUQian-hui,ANZhen-ni,LIJian*

(ShandongProvincialKeyLaboratoryofOpticsandPhotonicDevice，SchoolofPhysicsand

∶Inthispaper,basedonAuNano-rodsaturableabsorber(SA),lasercharacteristicsofLDend-pumpedpassivelyQ-switchedNd:YASGlaserweredemonstrated.Bycontrollingthelength-diameterratiooftheNano-rod,thelongitudinalsurfaceplasmonresonance(SPR)absorptionpeakwaslocatedat1 062nm.Therefore,passivelyQ-switchingcouldbeachievedbyusingthem.Furthermore,stablepassiveQ-switchedpulseswithanaverageoutputpowerof14mWwasobtainedatthepumppowerof4.9W.Theminimumpulsewidthof944.1nswasachievedatthepulserepetitionrateof100.1kHz.TheexperimentalresultsprovethatAuNano-rodisapromisingSAforsolid-statelasers.

∶Nd:YSAGcrystal；AuNano-rod；passivelyQ-switched

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.01.018

2016-09-06

國家自然科學(xué)基金(61205174)

張倩倩(1991—)，女，碩士研究生，研究方向為全固態(tài)激光器件。E-mail：794791256@qq.com

*通信作者，李健(1963—)，男，教授，研究方向為全固態(tài)激光器件與非線性光學(xué)。E-mail：lijian@sdnu.edu.cn

TN

A

1002-4026(2017)02-0109-06