基于二硫化鎢納米材料的全固態(tài)脈沖激光器研究

孔春霞,羅 云,劉海洋,季曉煒,張 雪

(1.南京信息工程大學環(huán)境科學與工程學院,江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學電子與信息工程學院,江蘇 南京 210044)

1 引 言

全固態(tài)脈沖激光器在激光手術、信息存儲、遙感技術、通訊等領域有著廣泛的應用[1-2]。目前,基于不同的可飽和吸收體(Saturable Absorber,SA)的被動調Q技術是獲得窄脈寬、高能量脈沖激光輸出的重要手段。采用被動調Q技術的全固態(tài)脈沖激光器具有結構緊湊、脈沖激光輸出穩(wěn)定性更高、光束質量更好等優(yōu)點。因此,如何利用被動調Q技術來獲得窄脈寬、高能量脈沖激光輸出成為當下的研究熱點[3-4]。SA作為全固態(tài)脈沖激光器的關鍵器件,如何選擇一個性能優(yōu)異的SA是獲得理想被動調Q脈沖激光輸出的前提。傳統(tǒng)的SA有半導體可飽和吸收鏡(SESAMs)[5-9]和碳納米管(CNTs)[10]。SESAMs具有制作工藝復雜、材料成本昂貴、波長范圍窄以及CNTs的直徑參數不可控,這些缺陷限制了它們在脈沖激光領域中的應用[11]。

近年來,新型二維材料作為SA應用于光纖/固體激光器中來獲得脈沖激光輸出的報道層出不窮,引起了科研工作者們廣泛的關注。石墨烯是最早被發(fā)現并成功應用于激光器中獲得脈沖激光輸出的一種二維材料[12-13]。然而,石墨烯具有零帶隙的缺陷,這極大地限制了其在脈沖激光領域中的應用。與石墨烯相比,WS2作為一種典型的過渡金屬硫化物(Transition Metal Dichalcogenides,TMDs)具有獨特的“三明治”結構、可調控的能帶隙、載流子遷移率高、非線性敏感性高等優(yōu)點,有效地彌補了石墨烯的零帶隙缺陷。除此之外,本征態(tài)的WS2為雙極性半導體,這些特性使其有望在電子電路、光電探測以及光伏器件等領域有著廣泛應用[14]。2015年,Zhao等人將單層WS2作為SA,在Nd∶GdVO4固體激光器中獲得脈沖寬度為110 ns和平均輸出功率為0.18 W的脈沖激光[15]。2016年,Cheng等人利用WS2-SA,首次在640 nm波段實現藍色二極管泵浦的Pr∶LiYF4被動調Q脈沖激光輸出,其脈沖寬度為630 ns,最大平均輸出功率為21.5 mW[16]。2017年,Tang等人利用WS2-SA,在二極管泵浦的YVO4/Nd∶YVO4激光器中,獲得了最短脈沖寬度為56 ns,最大輸出功率為1.36 W,峰值功率高達23.6 W的脈沖激光輸出,這也是二維材料實現調Q脈沖激光輸出的最短脈沖寬度[17]。2019年,Ma等人將WS2-SA應用于二極管泵浦的Nd∶GdLaNbO4激光器中,在優(yōu)化激光參數后,獲得了連續(xù)波最大輸出功率為4.37 W,斜率效率為42 %,這是目前為止最高的輸出功率。插入WS2-SA后,獲得的最短脈沖寬度為895 ns,重復頻率為162 kHz[18]。

本文采用鋰離子-插層法制作了WS2納米片溶液,經超聲、離心、旋涂、烘干等流程制備了性能優(yōu)良的WS2-SA。利用Raman和AFM法對WS2-SA進行系統(tǒng)表征分析,結果表明其表面薄膜具有少層片狀二維結構。實驗將WS2-SA作為調Q器件應用到Nd∶YVO4全固態(tài)激光器中,通過優(yōu)化諧振腔的參數以及結構,當吸收泵浦功率為1.42 W時達到出光閾值。增加吸收泵浦功率至8.16 W時,獲得了脈沖寬度為358 ns、重復頻率為1.4 MHz、最大平均輸出功率為570.4 mW的脈沖激光輸出,其相應的信噪比為39 dB。

2 WS2-SA的制備與表征

采用鋰離子-插層法制作了少層WS2納米片溶液,其制作過程如下:將WS2粉末倒入正丁基鋰的正己烷溶液中,使其在氬氣環(huán)境下常溫反應2 d；過濾并收集出插層混合物LixWS2,用正己烷溶液對其進行洗滌,去除多余的Li離子和殘留物質；將洗滌過的LixWS2放入去離子水中,使用超聲儀進行超聲剝離、離心洗滌,即可得到WS2納米片溶液。WS2-SA的制備過程如下:將WS2納米片溶液和無水乙醇按1∶10的比例在燒杯中進行混合(WS2取1 mL,無水乙醇取10 mL),得到一定濃度的懸濁液,并將其放置于超聲池中超聲1.5 h；取出超聲后的溶液,在轉速為1200 rpm的離心機中離心20 min,除去部分殘留物質；取適量上清液滴至15 mm×15 mm的方形石英片進行旋涂,通過加熱平臺烘干,即可得到WS2-SA。

圖1 WS2-SA的表征圖

3 WS2-SA的光電特性研究

3.1 諧振腔設計

實驗采用結構簡單、緊湊的平-平直線腔,如圖2所示。整個激光器系統(tǒng)由光纖耦合半導體激光器、耦合透鏡組、Nd∶YVO4晶體、WS2-SA、平面輸出鏡OM組成,激光諧振腔的腔長設計為56 mm。采用中心波長為808 nm的半導體激光器作為泵浦光源,該激光器的最大輸出功率為20 W,光纖的芯徑400 μm,數值孔徑為0.22。泵浦光經過1∶1耦合透鏡組聚焦到Nd∶YVO4晶體上,光斑半徑為200 μm。Nd∶YVO4晶體的尺寸為3 mm×3 mm×5 mm,Nd3+摻雜濃度為0.5 %,用銦箔包裹放在紫銅水冷裝置中,通過激光恒溫冷卻器(深圳科力達 KLD-LC16-FRH/L)控制Nd∶YVO4晶體的溫度在25 ℃左右,Nd∶YVO4晶體的S1端面鍍有808 nm的增透膜和1064 nm的高反膜,充當輸入鏡,S2端面鍍有1064 nm的增透膜；平面輸出鏡OM鍍有1064 nm的透射膜,透過率為5 %。使用光電探測器和數字示波器對激光器輸出的脈沖激光進行掃描和記錄。

圖2 基于WS2-SA的被調Q激光器實驗裝置圖

3.2 實驗結果與分析

實驗首先研究了1064 nm波段連續(xù)光的性能,激光閾值為1.02 W,平均輸出功率與泵浦吸收功率成線性關系,當泵浦吸收功率增加至8.16 W時,最大平均輸出功率為760.7 mW,如圖3(a)所示。隨后,研究激光器的調Q性能,將WS2-SA插入諧振腔中(如圖2所示),當吸收泵浦功率為1.44 W時,出現調Q現象,激光閾值相比連續(xù)光較高是因為激光在WS2-SA上有損耗。其平均輸出功率同樣隨吸收泵浦功率的增加而增加,在吸收泵浦功率為8.16 W時,激光器最大平均輸出功率為570.4 mW。圖3(b)顯示了脈沖寬度和重復頻率與吸收泵浦功率之間的關系,即脈沖寬度隨吸收泵浦功率的增加而減小,重復頻率隨吸收泵浦功率的增加而提高。當吸收泵浦功率從1.44 W增加到8.16 W時,相應的脈沖寬度從1.2 μs壓縮到358 ns,重復頻率從275 kHz提高到1.4 MHz。導致脈沖寬度不斷壓縮的原因是隨著吸收泵浦功率的增加,腔內光子數密度不斷增加,飽和吸收體漂白變快,調Q時間變短。繼續(xù)增加吸收泵浦功率,脈沖寬度可以繼續(xù)被壓縮,但考慮到功率過高會損傷晶體,便沒有繼續(xù)進行實驗。

圖3 不同參數與吸收泵浦功率關系曲線

實驗使用光電探測器和數字示波器對激光器輸出的脈沖激光進行掃描和記錄,圖4(a)和4(b)分別是數字示波器掃描時間為2 μs和200 ns時的脈沖波形圖。圖4(a)顯示所獲得的調Q脈沖激光輸出存在輕微的波動主要是由于在激光器長時間的運轉過程中,Nd∶YVO4晶體內只有部分泵浦能量轉化為激光,而其他能量會轉換成熱能,產生熱效應現象,直接導致激光器諧振腔輕微的不穩(wěn)定。

實驗使用頻譜儀(型號為ESAd402B)測量了調Q脈沖激光的頻譜,如圖5(a)所示,當頻率為1.4 MHz時,信噪比高達39 dB,說明調Q脈沖較為穩(wěn)定。圖5(b)是使用光纖光譜儀(型號為Seemantech S3000-VIS)測量得到的激光中心波長為1064.04 nm,帶寬為0.96 nm的光譜圖。為檢測此脈沖激光器在長時間工作下平均輸出功率的穩(wěn)定情況,實驗過程中保持吸收泵浦功率為6.25 W,用功率計記錄了120 min內激光器平均輸出功率的變化情況,如圖4所示,其變化幅度低于5 %,表明激光器輸出的脈沖激光較為穩(wěn)定。圖6中個別數據有所浮動是因為在系統(tǒng)內部采用了激光恒溫冷卻器來控制Nd∶YVO4晶體的溫度,然而,激光恒溫冷卻器工作時,水泵抽取冷卻水會發(fā)生抖動對激光諧振腔的穩(wěn)定產生一定的影響。

圖4 吸收泵浦功率為8.16 W時脈沖激光的輸出特性

圖5 當吸收泵浦功率為8.16 W時

圖6 輸出功率隨時間變化圖

4 結 論