基于氧化石墨烯的瓦級調(diào)Q鎖模Tm：LuAG激光器*

孫銳 陳晨 令維軍 張亞妮 康翠萍 許強

1)(寶雞文理學(xué)院物理與光電技術(shù)學(xué)院,寶雞 721016)

2)(天水師范學(xué)院激光技術(shù)研究所,天水 741001)

3)(陜西科技大學(xué)文理學(xué)院,西安 710021)

1 引 言

近年來,2 μm超快激光由于其自身廣泛的應(yīng)用前景[1-4],受到了越來越多的關(guān)注.為獲得2 μm超快激光,可通過在基于摻Tm3+,摻Ho3+或Tm3+與Ho3+共摻晶體的固體激光器的諧振腔中加入可飽和吸收體進(jìn)行被動鎖模來實現(xiàn).然而摻Tm3+的鎖模固體激光器的功率一般只有幾十至幾百毫瓦,鮮有功率達(dá)到瓦級的.目前的報道僅有2015年Feng等[5]使用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(semiconductor saturable absorber mirror,SESAM)在Tm：LuAG激光器中實現(xiàn)了最高1.21 W的鎖模輸出.但SESAM材料的制造工藝相對復(fù)雜,造價十分昂貴,而且由于其能隙寬度等問題的限制,SESAM對激光器的工作波長都有相對苛刻的要求.因此,尋找新的可飽和吸收材料來代替SESAM是非常有必要的.

近期在2 μm波段的超快固體激光器的相關(guān)報道中,證實了以碳納米管(carbon nanotubes,CNTs)、過渡金屬二鹵化物(transition metal dichalcogenides,TMDs)、石墨烯(graphene)等為代表的新型鎖模材料可以用作近紅外激光鎖模啟動元件.而這些材料以其特殊的結(jié)構(gòu)與性能,也受到了人們越來越多的關(guān)注.其中,單壁碳納米管在2 μm波段的輸出功率一般在500 mW以下[6,7],過渡金屬硫化物在該波段的相關(guān)報導(dǎo)也在30 mW到583 mW[8-10]范圍內(nèi).石墨烯材料因其相對低廉的造價、較寬的吸收光譜、更短的恢復(fù)時間以及良好的熱傳導(dǎo)性等優(yōu)點,從2009年便開始了用其做可飽和吸收體的研究.但研究大都集中在1 μm波段.2014年,Xu等[11]在Nd：YVO4激光器中實現(xiàn)了1.6 W的最大輸出.而有關(guān)石墨烯在2 μm波段的報道,功率大都處于100 mW附近[12-13],目前沒有瓦級鎖模的報道.

過渡金屬硫化物具有和石墨烯類似的結(jié)構(gòu),屬六方晶系,具有大的比表面積、較好的穩(wěn)定性以及較大的調(diào)制深度.但熱傳導(dǎo)率較低,約為100 W·m—1·K—1,易產(chǎn)生熱損傷,不利于其在高功率鎖模激光器上的應(yīng)用.其帶隙寬度隨層數(shù)的減小而增加,可以利用該特性控制二維過渡金屬硫化物(TMDCs)的帶隙寬度,制作各種可飽和吸收體.目前獲得TMDCs最常見的方法是通過機械剝離的方法來制備,但是這樣獲得樣品的面積普遍很小,且不易實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn).碳納米管目前最常見的分為單壁碳納米管和雙壁碳納米管,這兩種材料的性能類似.該類材料具有制備方法相對簡單、成本相對低廉、弛豫時間相對較短等優(yōu)點.其中單壁碳納米管的熱傳導(dǎo)系數(shù)很大,熱導(dǎo)率約為3500 W·m—1·K—1,很適合應(yīng)用于高功率鎖模激光器,而且可以通過控制單壁碳納米管聚合的手性和管徑,制備寬帶可飽和吸收體.雖然該種材料對近紅外光有著非常高的吸收率,但由于其易團(tuán)聚的特點,提高了可飽和吸收體的制作難度.氧化石墨烯性能與石墨烯類似,具有較高的損傷閾值、較大的調(diào)制深度以及較寬的波長吸收范圍等優(yōu)點,并且原材料價格低廉,制備方法簡單,目前已實現(xiàn)大批量生產(chǎn).其帶隙寬度隨氧化程度的變化而變化,可依此制作出各種可飽和吸收體.由于氧化石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)上覆蓋的大量含氧官能團(tuán),使其表現(xiàn)出強烈的親水性,且不易團(tuán)聚,對紅外波段的光有著很高的吸收率,因此相較于碳納米管和過渡金屬硫化物更有利于制作成2 μm鎖模器件.

氧化石墨烯(graphene oxide,GO)是通過熱剝離等方法從氧化石墨中獲得的,由于氧化石墨烯的表面上含有大量含氧官能團(tuán),使其在水溶劑以及其他極性溶劑中能夠穩(wěn)定存在.相較于石墨烯,氧化石墨烯能更好地溶于水溶劑[14].氧化石墨烯應(yīng)用于1 μm鎖模器件的報道相對較多.2011年,Zhang等[15]在Nd：YVO4晶體中通過氧化石墨烯可飽和吸收體實現(xiàn)了脈寬11.3 ns,最高輸出功率1.2 W的鎖模信號.2012年,Wang等[16]在Nd：GdVO4晶體中通過氧化石墨烯可飽和吸收體實現(xiàn)了最高1.1 W的輸出功率,脈沖寬度4.5 ps.而2 μm波段的鎖模器件報道很少,僅Liu等[17]利用氧化石墨烯在Tm：YAlO3晶體中實現(xiàn)了268 mW鎖模運轉(zhuǎn).

晶體Lu3Al5O12(LuAG)是一種通過提拉法生長的優(yōu)良增益介質(zhì)基質(zhì)材料.由于LuAG與YAG同構(gòu),因此LuAG和YAG類似,也擁有較高的導(dǎo)熱系數(shù)[18],與此同時LuAG還擁有較低的聲子能量損耗以及較大的吸收和發(fā)射截面.而摻雜有Tm3+離子的Tm：LuAG,具有較高的斜效率和損傷閾值,且調(diào)諧寬度較寬,其可吸收光譜波長范圍較廣,吸收峰主要有682,788,1173,1629 nm[19].2009年,Wu等[20]在室溫條件下實現(xiàn)了Tm：LuAG的連續(xù)光運轉(zhuǎn).2012年,Chen等[21]在Tm：LuAG晶體上通過聲光開關(guān)實現(xiàn)了50 Hz的調(diào)Q運轉(zhuǎn),脈沖寬度293 ns.目前,通過該晶體實現(xiàn)穩(wěn)定鎖模的報道相對較少.僅2015年Feng等[5]使用SESAM實現(xiàn)了Tm：LuAG晶體脈沖寬度38 ps的連續(xù)鎖模運轉(zhuǎn).

本文通過傳統(tǒng)的X型腔,利用實驗室搭建的可調(diào)諧鈦藍(lán)寶石激光器作為泵浦,在Tm：LuAG晶體上通過氧化石墨烯實現(xiàn)了穩(wěn)定的瓦級被動調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn),輸出光中心波長2023 nm,采用3%輸出鏡時,最大鎖模輸出功率1740 mW,脈沖重復(fù)頻率104.2 MHz,對應(yīng)單脈沖能量為16.7 nJ,調(diào)制深度接近100%.

2 氧化石墨烯可飽和吸收體的制備

本實驗通過垂直生長法制備所需的氧化石墨烯可飽和吸收體.第一步,在去離子水中按比例加入已制備好的氧化石墨烯粉末,超聲處理10 h后獲得均勻混合的氧化石墨烯溶液,之后將該溶液放入離心機離心處理,獲得混合比例為0.3 mg/mL的氧化石墨烯均勻溶液；第二步,將合適尺寸的石英片置于混合比例為3：1的雙氧水與濃硫酸均勻混合液中靜置,直至表面無氣泡冒出,取出獲得親水石英片；第三步,將制備完成的0.3 mg/mL氧化石墨烯溶液注入到大小合適的聚苯乙烯塑料盒中,將之前處理好的親水石英片豎直放入該溶液中靜置,直至氧化石墨烯溶液完全蒸發(fā),取出靜置的石英片.至此氧化石墨烯可飽和吸收體制備完成.

圖1為氧化石墨烯可飽和吸收體拉曼光譜圖、電鏡圖和實物圖.已知E2g1(平面上)及A1g(平面外)為氧化石墨烯的主要聲子振動模,隨著氧化石墨烯厚度的變化,其主要聲子振動模A1g模和E2g1模也會分別產(chǎn)生藍(lán)移和紅移現(xiàn)象.由測得的拉曼光譜(圖1(a))可以觀察到位于1351.01 cm—1和1591.67 cm—1處有兩個特征峰值,而這兩個特征峰分別對應(yīng)于E2g1和A1g這兩個聲子振動模,由此可以估算并確認(rèn)該氧化石墨烯可飽和吸收體已經(jīng)剝離出少層結(jié)構(gòu)[22-24].

圖1 氧化石墨烯可飽和吸收體 (a)拉曼光譜圖；(b)掃描電鏡圖；(c)實物圖Fig.1.(a)Raman spectrum of GO-SAs；(b)SEM of GOSAs；(c)photograph of GO-SAs.

3 實驗裝置

Tm：LuAG被動鎖模激光實驗裝置如圖2所示,這是一個典型的X型五鏡腔結(jié)構(gòu).抽運源為可調(diào)諧的摻鈦藍(lán)寶石激光器,采用Z型諧振腔,通過腔內(nèi)雙折射濾光片可將輸出波長調(diào)諧到794.2 nm,正好對應(yīng)激光晶體的一個吸收峰,其最高輸出功率為8.1 W.激光晶體為Tm：LuAG,對其兩個通光面按布儒斯特角進(jìn)行切割拋光,晶體內(nèi)銩離子(Tm3+)摻雜濃度為5%,尺寸為3 mm×3 mm×5 mm.為了冷卻激光晶體,控制其運轉(zhuǎn)時因為發(fā)熱而產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng),首先將激光晶體使用銦箔進(jìn)行包裹,然后將其夾持在專門為其設(shè)計的紫銅冷卻夾具內(nèi),在實驗過程中采用恒溫循環(huán)水冷系統(tǒng)對紫銅冷卻夾具進(jìn)行冷卻,恒溫水設(shè)定維持在12 ℃左右.聚焦透鏡(L2)焦距f= 150 mm,對抽運光波長高透,透過率大于95%.被動鎖模激光實驗裝置中M8,M9分別為曲率半徑100 mm和75 mm的寬帶抽運平凹鏡,其對770—1050 nm波段的抽運激光透過率大于95%,對1800—2075 nm波段的振蕩光反射率大于99.9%.M10為平凹反射鏡,凹面曲率半徑為75 mm,對1800—2075 nm波長反射率大于99.9%,M11是對1800—2075 nm波段的反射率大于99.9%的平面反射鏡.M12為輸出耦合鏡,對振蕩光1800—2050 nm波長的光部分透過,本實驗共選用了透過率為1.5%,3%和5%三種規(guī)格的輸出鏡.

圖2 Tm：LuAG被動鎖模激光實驗裝置圖Fig.2.The experimental setup of Tm：LuAG passively Q-switched mode locked laser.

利用ABCD矩陣模擬激光腔內(nèi)振蕩光斑,可以計算出晶體中最小光腰半徑為54.1 μm,選用焦距f= 150 mm的聚焦透鏡以獲得更好的模式匹配,并很大程度上避免了在高功率條件下晶體的損傷.由于該氧化石墨烯可飽和吸收體的損傷閾值約741.7 μJ/cm2,為避免在高功率條件下造成吸收體損壞,M10選用曲率半徑為100 mm的平凹反射鏡,氧化石墨烯可飽和吸收體位于M10焦點附近,其表面光束半徑經(jīng)計算約為204.1 μm,啟動鎖模時,氧化石墨烯可飽和吸收體上對應(yīng)功率密度約為209 μJ/cm2.

4 實驗結(jié)果分析與討論

采用上述Tm：LuAG被動鎖模激光實驗裝置,獲得實驗數(shù)據(jù)如圖3(a)所示,激光晶體對泵浦光的吸收率在激光器出光和非出光狀態(tài)下有很明顯的差異.當(dāng)腔內(nèi)無激光運轉(zhuǎn)時,激光晶體對泵浦光的吸收效率僅65.0%,當(dāng)實現(xiàn)連續(xù)光運轉(zhuǎn)時,激光晶體的吸收效率達(dá)到了85%左右.之后在腔內(nèi)插入氧化石墨烯時,選用1.5%和3%的輸出鏡,激光晶體的吸收效率變化不大,約為84.5%.

圖3 (a)晶體吸收變化圖；(b)連續(xù)光和鎖模輸出功率隨吸收抽運功率的變化Fig.3.(a)The change of crystal absorbed power；(b)Relation between average output power and absorbed pump power under continuous-wave and mode-locked operation.

如圖3(b)所示,當(dāng)腔內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)光運轉(zhuǎn)時,選用1.5%,3%和5%輸出耦合鏡時,出光閾值分別為276,326和617 mW,斜效率分別為22.3%,32.6%和40.6%,輸出最高功率分別為1440,2030和2610 mW.當(dāng)腔內(nèi)插入氧化石墨烯時,首先選用1.5%的輸出鏡,此時出光閾值為325 mW,激光器最大輸出功率為787 mW,斜效率為12.5%；選擇3%的輸出耦合鏡時,出光閾值為351 mW,激光器最大輸出功率為1740 mW,斜效率為30.3%；采用5%的輸出鏡,由于腔內(nèi)損耗過大,無法實現(xiàn)穩(wěn)定的調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn).由實驗數(shù)據(jù)可知,調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn)時在3%輸出鏡條件下出光閾值僅與1.5%輸出鏡相差26 mW,但輸出功率高出2.2倍,所以我們在調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn)時主要使用透過率為3%的輸出耦合鏡.圖3中對應(yīng)的功率曲線并沒有達(dá)到飽和,相信后期通過進(jìn)一步優(yōu)化模式匹配,提升泵浦功率以及控制腔內(nèi)色散,將有望實現(xiàn)連續(xù)鎖模.

本實驗通過光譜分析儀(AvaSpecNIR256-2.5TEC)測量獲得鎖模脈沖光譜,如圖4所示,輸出脈沖信號的中心波長位于2023 nm,脈沖信號光譜半高寬Δλ為12 nm.圖5為通過光電二極管探測器(ET-5000)測得的調(diào)Q鎖模脈沖序列,掃描時間分別為1 ms,100 μs,2 μs和10 ns.測得調(diào)Q包絡(luò)的寬度為5 μs,重復(fù)頻率為83.33 kHz,調(diào)Q包絡(luò)下鎖模脈沖的頻率為104.2 MHz,符合鎖模脈沖的重復(fù)頻率理論公式f=C/(2L),其中C為光速,L為振蕩腔長,而且通過脈沖序列圖可看出鎖模脈沖的調(diào)制深度接近100%.

圖4 鎖模脈沖信號的輸出光譜Fig.4.The output spectrum of the mode locking signal pulse.

圖5 掃描時間為1 ms,100 μs,2 μs和10 ns的鎖模脈沖序列Fig.5.Mode-locked pulse trains recorded in 1 ms,100 μs,2 μs and 10 ns per division (div)timescales.

由于實際的脈沖寬度比實驗中采用的自相關(guān)儀(APE,pulse check 150)可測量的脈沖寬度上限150 ps要寬,所以沒能測量到準(zhǔn)確的脈沖自相關(guān)信號.可根據(jù)示波器的鎖模脈沖信號,通過以下公式估算出實際的鎖模脈沖寬度：

式中,tm為測得的脈沖上升沿時間,tr為實際的脈沖上升沿時間,tp為二極管探測器的上升沿時間,t0為示波器的上升沿時間[25].而示波器的上升沿時間可以利用公式計算得到：

其中,WB為示波器的帶寬,本實驗中的數(shù)字示波器(RIGOL,DS4024)的帶寬為200 MHz,因此可估算得到t0= 1750 ps,又已知實驗測得的脈沖上升沿時間約為1900 ps,而2 μm光電二極管探測器(ET-5000)的上升沿時間為35 ps,因此可推算得到實際的鎖模脈沖上升沿時間約為739.1 ps,而脈沖寬度約等于上升沿時間的1.25倍,因此實際鎖模脈沖寬度約為923.8 ps.通常情況下激光腔的群色散延遲(group delay dispersion,GDD)主要由增益介質(zhì)產(chǎn)生,主要由增益介質(zhì)的自相位調(diào)制(self-phase modulation,SPM)產(chǎn)生正色散,自相位調(diào)制產(chǎn)生的色散與腔內(nèi)功率正相關(guān),其數(shù)值一般可高達(dá)1000 fs2以上.為了避免色散展寬,可以用符號相反的GDD來補償,后期通過在腔內(nèi)引入比如CaF2棱鏡對、啁啾鏡以及gires-tournoisinterferometer (GTI)等,有望獲得更窄的脈寬.

5 結(jié) 論

采用氧化石墨烯可飽和吸收體,首次在Tm：LuAG全固態(tài)激光器中實現(xiàn)了瓦級被動調(diào)Q鎖模運轉(zhuǎn).該諧振腔在5%輸出鏡的連續(xù)光運轉(zhuǎn)下最大輸出功率達(dá)到了2610 mW.在該諧振腔內(nèi)加入氧化石墨烯可飽和吸收體后,在3%輸出耦合鏡條件下,出光閾值最低為351 mW,當(dāng)吸收抽運功率達(dá)到3420 mW時,進(jìn)入穩(wěn)定的調(diào)Q鎖模運行狀態(tài).當(dāng)抽運功率達(dá)到8.1 W時,中心波長為2023 nm,對應(yīng)的最大輸出功率為1740 mW,重復(fù)頻率為104.2 MHz,最大單脈沖能量為16.7 nJ,鎖模狀態(tài)下輸出光4 h功率穩(wěn)定度2.2%.實驗結(jié)果表明,氧化石墨烯可以作為2 μm波段瓦級固體激光器被動調(diào)Q的可飽和吸收體材料.后期通過提高腔內(nèi)功率密度,進(jìn)一步降低氧化石墨烯可飽和吸收體的損耗,控制腔內(nèi)色散將有可能實現(xiàn)連續(xù)鎖模.