基于金納米雙錐吸收體的1.3 μm調(diào)Q鎖模激光實(shí)驗(yàn)

韓李雪松，褚召政，李唐萌，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)

基于金納米雙錐吸收體的1.3μm調(diào)Q鎖模激光實(shí)驗(yàn)

韓李雪松，褚召政，李唐萌，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)

利用種子介導(dǎo)生長(zhǎng)法制備了金納米雙錐可飽和吸收體，并且用于1.3μm調(diào)Q鎖模激光器. 采用五鏡折疊腔設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了LD泵浦1.3μm調(diào)Q鎖模脈沖激光運(yùn)轉(zhuǎn)，在泵浦功率為5.162W時(shí)，調(diào)Q鎖模的平均輸出功率為368mW，調(diào)Q包絡(luò)脈沖寬度為1770ns，對(duì)應(yīng)包絡(luò)內(nèi)鎖模脈沖重復(fù)頻率為75.4MHz.

固體激光器；1.3μm調(diào)Q鎖模；金納米雙錐可飽和吸收體；Nd∶GdVO4晶體

1.3μm波段脈沖激光與石英光纖的低色散、低損耗波長(zhǎng)一致，在輻射、信息存儲(chǔ)、激光彩色顯示、激光醫(yī)療、光通訊、大氣污染監(jiān)測(cè)等方面有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[1-3].LD泵浦被動(dòng)調(diào)Q鎖模技術(shù)是實(shí)現(xiàn)1.3μm脈沖激光輸出的重要手段，飽和吸收體是其中的重要調(diào)制器件. 近年來(lái)，二維材料[4-9]的出現(xiàn)為1.3μm波段脈沖激光的研究提供了新的研究機(jī)遇. 基于納米材料可飽和吸收體的脈沖激光研究是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，許陽(yáng)等基于金納米棒可飽和吸收體在1.56μm，1062nm，1064nm實(shí)現(xiàn)被動(dòng)調(diào)Q激光輸出[10-11]，張華年等基于金納米雙錐可飽和吸收體在1.1μm波段與1423.4nm波長(zhǎng)處分別實(shí)現(xiàn)被動(dòng)調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn)[12-13]. 上述實(shí)驗(yàn)均表明：金納米材料在獲得超快脈沖激光方面有較大潛力，納米材料因其具有尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，與其他材料相比呈現(xiàn)出許多獨(dú)特的物理化學(xué)特性[14-16].

本文通過控制金納米雙錐可飽和吸收體的長(zhǎng)徑比，將金納米雙錐可飽和吸收體的縱向表面等離子共振峰(SPR)控制在1265nm附近，成功制備了用于1.3μm波段的金納米雙錐可飽和吸收體，并將該吸收體用于LD泵浦Nd∶GdVO4晶體的1.3μm波段調(diào)Q鎖模脈沖激光器中，實(shí)現(xiàn)了1.3μm的脈沖激光穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn). 研究結(jié)果表明：金納米雙錐可飽和吸收體在鎖模脈沖方面具有一定的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿?

1 金納米雙錐可飽和吸收體的制備和特性

實(shí)驗(yàn)中用到的金納米雙錐可飽和吸收體由種子介導(dǎo)生長(zhǎng)法制備. 金種子溶液的制備：將50μL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的四氯金酸和74μL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的檸檬酸鈉加入到9.875mL的超純水中，快速攪拌1min. 加入冰的150μL0.01mol/L硼氫化鈉，再繼續(xù)攪拌1min并且靜置，得到金種子溶液. 生長(zhǎng)溶液的制備：將28.5mL0.01mol/L十六烷基三丁基溴化銨、1.2mL0.01mol/L四氯金酸、60μL0.01mol/L硝酸銀、400μL0.1mol/L抗壞血酸在燒瓶中融化. 將30μL種子溶液注入生長(zhǎng)溶液中形成混合溶液，混合溶液以6 000r/min離心10min后，將其放置在65 ℃的烘箱中10h. 當(dāng)金納米雙錐在溶液中長(zhǎng)期穩(wěn)定分布則制成金納米雙錐溶液，將金納米雙錐溶液均勻旋涂到平板基質(zhì)上，在室溫下緩慢晾干最終形成金納米雙錐可飽和吸收體.

圖1顯示的是金納米雙錐可飽和吸收體的透射電子顯微鏡圖(TEM). 圖2為金納米雙錐穩(wěn)定分布的溶液. 圖3為實(shí)驗(yàn)制備的金納米雙錐可飽和吸收體的縱向表面等離子吸收光譜，金納米雙錐可飽和吸收體的縱向表面等離子吸收峰在1 265nm附近且在1.3μm波長(zhǎng)處，仍處于較高吸收水平，所以基于金納米雙錐可飽和吸收體在1.3μm波段處進(jìn)行調(diào)Q鎖模操作是可行的. 利用自己搭建的Nd∶YVO4皮秒鎖模脈沖激光器(中心波長(zhǎng)為1 342nm，脈沖寬度為18ps，重復(fù)頻率為75.68MHz)測(cè)量了材料的非線性飽和吸收特性.

圖1 金納米雙錐顆粒的透射電子顯微鏡圖

圖2 金納米雙錐溶液

圖3 縱向表面等離子體吸收光譜

圖4給出了金納米雙錐可飽和吸收體的透射系數(shù)與入射光強(qiáng)度的關(guān)系，由圖4可以看出當(dāng)激光功率達(dá)到750mW/cm2時(shí)，透射系數(shù)達(dá)到89%左右，且繼續(xù)增加照射光強(qiáng)度，透射系數(shù)基本不變，這是材料對(duì)于激光的吸收達(dá)到飽和引起的，由此可以計(jì)算出制備的金納米雙錐材料調(diào)制深度約為10%.

本實(shí)驗(yàn)制備的金納米雙錐可飽和吸收體，表現(xiàn)出2個(gè)表面等離子體共振峰，與橫向的表面等離子體共振峰相比，縱向表面等離子體共振峰可通過長(zhǎng)徑比進(jìn)行調(diào)節(jié)，在結(jié)構(gòu)上沿著五角形的基底向兩端延伸出2個(gè)尖銳的頂點(diǎn)，相比于兩端較為光滑的金納米棒，金納米雙錐會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的局域表面等離子共振電磁場(chǎng)[17]. 研究結(jié)果表明，通過改變金納米雙錐的長(zhǎng)徑比可實(shí)現(xiàn)其局域表面等離子共振(LSPR)的可調(diào)諧性，所以金納米雙錐可應(yīng)用于不同波段實(shí)現(xiàn)調(diào)Q或鎖模脈沖激光運(yùn)轉(zhuǎn).

圖4 金納米雙錐飽和吸收體的非線性透射系數(shù)隨入射光強(qiáng)的變化

2 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)ABCD定理，設(shè)計(jì)了五鏡折疊激光諧振腔(如圖5所示)，實(shí)現(xiàn)LD泵浦Nd∶GdVO4晶體1.3μm波段調(diào)Q鎖模激光運(yùn)轉(zhuǎn).

圖5 調(diào)Q鎖模Nd∶GdVO4激光實(shí)驗(yàn)裝置圖

泵浦源為光纖耦合輸出的半導(dǎo)體激光器，工作中心波長(zhǎng)808nm，最大輸出功率30W, 光纖芯徑400μm, 數(shù)值孔徑0.22. 通過1∶0.8的聚焦耦合透鏡系統(tǒng)，將泵浦光耦合進(jìn)入激光晶體中. 實(shí)驗(yàn)所用晶體為Nd∶GdVO4晶體,Nd3+原子數(shù)分?jǐn)?shù)為0.5%,尺寸為3mm×3mm×7mm(7mm為通光方向長(zhǎng)度). 將晶體用銦箔包裹并置于銅制水冷熱沉中，通過循環(huán)水將晶體溫度控制在12 ℃，以驅(qū)除實(shí)驗(yàn)過程中晶體上產(chǎn)生的熱. 輸入鏡M1為平鏡，前表面鍍有808nm高透膜(T>85%)，后表面鍍有1 342nm高反膜(R>99.8%). 折疊鏡M2，M3和M4均為凹面鏡，曲率半徑分別為200nm，800nm和500nm,均鍍有1 342nm高反射膜. 輸出鏡M5為鍍有對(duì)1 342nm透過率為4%的平面鏡. 激光腔長(zhǎng)的各段長(zhǎng)度分別為d1=85mm,d2=465mm,d3=1 170mm,d4=262mm,總的腔長(zhǎng)為1.982m. 輸入鏡M1緊貼晶體，輸出鏡M5緊貼金納米雙錐飽和吸收體. 采用ABCD矩陣計(jì)算可得輸出鏡位置的激光光斑直徑約為85μm.

3 實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)首先研究了Nd∶GdVO4的連續(xù)激光特性(不放置金納米雙錐可飽和吸收體)，在連續(xù)激光的實(shí)驗(yàn)中輸出功率隨晶體吸收泵浦功率變化曲線如圖6所示. 晶體吸收泵浦功率在0.914～6.16W范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出功率隨吸收泵浦功率增加而增加，當(dāng)吸收泵浦功率為6.16W時(shí)得到最大連續(xù)光輸出功率884mW，對(duì)應(yīng)的斜效率為17.13%。

圖6 調(diào)Q鎖模輸出功率和激光連續(xù)輸出功率隨泵浦功率的變化曲線

隨后進(jìn)行調(diào)Q鎖模實(shí)驗(yàn)，將金納米雙錐可飽和吸收體放入五鏡折疊腔內(nèi)，緊貼輸出鏡(此處光斑最小，對(duì)應(yīng)最高的激光功率密度)調(diào)節(jié)至最佳位置，實(shí)現(xiàn)了調(diào)Q鎖模脈沖激光輸出. 圖6也給出了調(diào)Q鎖模激光平均輸出功率與泵浦功率的關(guān)系曲線，注入的泵浦功率為1.39 ～5.162W時(shí)，測(cè)量了調(diào)Q脈沖激光輸出的平均功率[激光功率計(jì)采用以色列OPHTR(30A-SH-V1)]，輸出功率從5mW增至368mW，對(duì)應(yīng)的斜效率為10.07%. 注入功率為5.162W時(shí)獲得最大平均輸出功率368mW.

使用Tektronix公司生產(chǎn)的帶寬為1GHz的數(shù)字示波器(TektronixDPO4054,USA)和上升時(shí)間為175ps的快速光電探測(cè)器(EOTET-3000)測(cè)量脈沖激光調(diào)Q包絡(luò)的脈沖寬度和鎖模脈沖的重復(fù)頻率. 圖7為掃描速率分別為1μs/div和20ns/div時(shí)，在注入功率為5.162W下，示波器分別顯示的調(diào)Q鎖模的Q包絡(luò)和包絡(luò)展開后的鎖模波形. 從圖7中可以看出，此時(shí)的調(diào)Q包絡(luò)脈沖寬度為1 770ns. 調(diào)Q包絡(luò)下鎖模脈沖重復(fù)頻率為75.4MHz，與諧振腔長(zhǎng)度計(jì)算值吻合.

圖7 泵浦功率為5.162 W時(shí)調(diào)Q鎖模脈沖示波器波形圖

在注入功率超出5.162W時(shí)，調(diào)Q鎖模脈沖開始不穩(wěn)定，繼續(xù)增加泵浦功率調(diào)Q鎖模脈消失，主要原因可能是飽和吸收體不夠成熟，抗損傷閾值較低，有望在以后的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，結(jié)合諧振腔的優(yōu)化設(shè)計(jì)，連續(xù)波鎖模激光的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)值得期待.

4 結(jié) 論

通過控制金納米雙錐的SPR峰成功制備了1.3μm波段的可飽和吸收體. 采用五鏡折疊腔設(shè)計(jì)，將金納米雙錐(Au-NBPs)作為可飽和吸收體，實(shí)現(xiàn)了激光二極管抽運(yùn)Nd∶GdVO4晶體的1.3μm波段被動(dòng)調(diào)Q鎖模脈沖激光運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)注入功率為5.162W時(shí)，調(diào)Q鎖模的平均輸出功率為368mW，調(diào)Q包絡(luò)內(nèi)鎖模脈沖重復(fù)頻率75.4MHz. 金納米雙錐作為新型可飽和吸收體用來(lái)獲得1.3μm波段全固態(tài)脈沖激光的可行性得到了有效驗(yàn)證.

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1.3μmQ-switchedmode-lockedlaserbasedongoldnano-bipyramidsassaturableabsorbers

HAN Li-xue-song, CHU Zhao-zheng, LI Tang-meng, LIU Jie

(School of Physics and Electronics, Shandong Normal University, Jinan 250014, China)

Gold nano-bipyramids (Au-NBPs) were synthesized by seed-mediated growth method. Five-mirror fold cavity was designed and demonstrated that gold nano-bipyramids could be used as saturable absorbers for LD-pumpedQ-switched mode-locked plus laser in 1.3 μm region. For a pump power of 5.162 W, the average output power was 368 mW with a minimumQ-switched envelope pulse width 1 770 ns and maximum mode-locked repetition rate 75.4 MHz.

solid-state laser; 1.3 μmQ-switched mode-locked; Au-NBPs; Nd∶GdVO4crystal

TN248.1

A

1005-4642(2017)10-0006-04

[責(zé)任編輯：任德香]

2017-05-06；修改日期2017-07-08

山東師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(No.201610445178)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助(No.61475089)

韓李雪松(1997-)，女，山東淄博人，山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院2014級(jí)本科生.

劉 杰(1963-)，女，山東濟(jì)南人，山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院教授，學(xué)士，主要從事全固態(tài)激光技術(shù)和非線性光學(xué)等方面的教學(xué)和研究.