基于銻烯納米片的被動(dòng)調(diào)Q激光器

洪 弘,周 貌,陳鴻玲,張沛雄,李 真,尹 浩,陳振強(qiáng)

(1.廣東省晶體與激光技術(shù)工程研究中心，廣州 510632； 2.暨南大學(xué)理工學(xué)院光電工程系，廣州 510632)

0 引 言

自石墨烯被成功剝離后，世界上掀起一股研究二維材料晶體的熱潮[1]。過渡金屬硫化物(TMDCs)[2-5]、金屬鹵化物[6-8]、金屬氧化物[9-12]和黑磷(BP)[13-14]等二維材料逐漸被科學(xué)家們所研究，構(gòu)成了豐富的二維材料家族。其中黑磷由于高載流子遷移率和獨(dú)特的可調(diào)諧帶隙引起了研究人員的廣泛關(guān)注，但易氧化特性在很大程度上限制了其應(yīng)用[15]。近幾年，除石墨烯以外的其他單原子層單質(zhì)材料(Xenes)如鍺烯、砷烯、銻烯、鉍烯、碲烯[16-20]等被廣泛地進(jìn)行研究。這種單原子層單質(zhì)材料的表面原子幾乎完全裸露，相比于其他材料，具有更高的原子利用率，且可以通過厚度和摻雜控制，使得其在電子學(xué)、光子學(xué)，和加工領(lǐng)域具有很多富有想象力的潛在應(yīng)用。其中，位于V族中的單族元素銻，由第一性原理計(jì)算預(yù)測(cè)銻烯具有強(qiáng)的穩(wěn)定性和優(yōu)異的光電性能[21]。單層銻烯為間接帶隙半導(dǎo)體且只需要加一點(diǎn)應(yīng)變就可以誘導(dǎo)成直接帶隙半導(dǎo)體，形成0～2.28 eV范圍內(nèi)的寬帶隙調(diào)諧特性，滿足大部分光電子器件的需求，且其具有高載流子遷移率、良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和顯著的非線性光學(xué)性質(zhì)[22-23]，表明單質(zhì)銻具有豐富的潛在應(yīng)用場(chǎng)景。

脈沖激光在醫(yī)學(xué)治療、光譜分析、科學(xué)研究等方面具有重要的應(yīng)用前景[24-26]。然而，當(dāng)前能夠滿足應(yīng)用需求的光開關(guān)器件種類有限，且復(fù)雜的制造工藝、高成本和窄帶寬的缺點(diǎn)也限制了脈沖激光的進(jìn)一步應(yīng)用?；诳娠柡臀阵w(SA)的固體激光器由于其成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在被動(dòng)調(diào)Q和鎖模方面一直有著廣泛的應(yīng)用，在通信、生物學(xué)、材料學(xué)、醫(yī)用等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[27-30]。目前，基于銻烯納米片作為可飽和吸收體的946 nm、1 064 nm和1.5 μm等波長(zhǎng)的被動(dòng)調(diào)Q激光器均有報(bào)道[31-32]，但1.3 μm波長(zhǎng)的被動(dòng)調(diào)Q激光仍尚未報(bào)道。

本文基于液相剝離法，結(jié)合超聲剝離之前充分的預(yù)研磨處理，設(shè)計(jì)了一種預(yù)研磨的液相剝離法，制備出的銻烯樣品用作可飽和吸收體。對(duì)制備出的銻烯樣品的特性進(jìn)行了系統(tǒng)表征，結(jié)合b切的Nd∶GYAP(Nd∶Gd0.1Y0.9AlO3)作為激光介質(zhì)的激光器，首次實(shí)現(xiàn)了1.3 μm波長(zhǎng)的被動(dòng)調(diào)Q激光，在最大吸收泵浦功率為3.07 W時(shí)，獲得424 kHz重復(fù)頻率和1.14 W峰值功率的脈沖激光輸出，對(duì)應(yīng)脈沖寬度為589 ns。

1 銻烯的制備與表征

1.1 樣品制備

本文采用改進(jìn)后的預(yù)研磨液相剝離法，成功地在K9玻璃襯底上制備了超薄層銻烯納米片可飽和吸收體。如圖1所示，與之前報(bào)道的制備方法相比，本文在對(duì)樣品進(jìn)行超聲剝落之前，先對(duì)樣品進(jìn)行充分地預(yù)研磨處理，從而使整個(gè)液相剝離過程更加完善和有效。首先，將原始銻粉(阿拉丁，質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.99%)放入瑪瑙研缽中，同時(shí)加入2 mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)輔助30 min研磨，預(yù)研磨產(chǎn)生的沿層表面的剪切力有利于形成表面光滑、大而薄的銻板。然后，將混合物分散在純NMP中并攪拌形成懸浮液，同時(shí)添加適量的表面活性劑(油酸，OA)，通過20 h不間斷的超聲處理，使得懸浮液中的銻板上的銻烯分層剝落。溶液經(jīng)過超聲、離心后，其上清液中含有小層數(shù)的銻烯。為了制備均勻的二維銻烯晶體，將獲得的上清液滴到K9玻璃襯底上，用旋涂機(jī)使其均勻鋪展，最后在恒溫60 ℃的烘箱中干燥24 h。

圖1 銻烯納米片的制備過程Fig.1 Fabrication process for antimonene nanosheets

1.2 樣品形貌與基本性質(zhì)表征

拉曼光譜是表征二維材料的一種有效方法，它可以提供材料振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)模式的細(xì)節(jié)。如圖2(a)所示，通過532 nm激光源激發(fā)的拉曼光譜儀，進(jìn)一步測(cè)量了銻烯的拉曼光譜，以表征其物質(zhì)成分與晶體結(jié)構(gòu)。圖中觀察到大約在110.4 cm-1和148.4 cm-1處有兩個(gè)主峰，對(duì)應(yīng)于大塊銻的Eg和A1g一階拉曼模式，與其他文獻(xiàn)匹配良好[33-34]，結(jié)合X射線衍射(XRD)圖譜，可證明產(chǎn)品是銻烯。為了對(duì)樣品形貌進(jìn)行直接觀測(cè)，利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)對(duì)制備的銻烯可飽和吸收體進(jìn)行了表征，從圖2(c)可以看出，銻烯納米片呈現(xiàn)表面光滑的片狀形貌，層間微觀結(jié)構(gòu)通過范德華力堆疊在一起。此外，使用原子力顯微鏡(AFM)觀察銻烯的表面結(jié)構(gòu)，如圖2(d)所示，圖中所畫出的白線輪廓高度由圖2(e)中的曲線表示，可以看出，所得銻烯納米片的厚度在12～35 nm之間。最后，作為進(jìn)一步光學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，用UV-Vis-NIR分光光度計(jì)(UV-3150，日本島津)測(cè)量了銻烯納米片在800～1 600 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的線性光透射曲線，可以看出其透射曲線相對(duì)平坦。作為參考的K9玻璃片的透射光譜顯示出其在1 341 nm處的透射比為92.238%，而在1 341 nm處沉積有銻烯納米片的K9玻璃襯底的透射比為90.705%。考慮到襯底的損耗，計(jì)算出銻烯納米片的線性光學(xué)損耗約為1.533%。

圖2 (a)用532 nm激發(fā)的銻烯拉曼光譜;(b)銻烯納米片的XRD圖譜;(c)比例尺為500 nm的銻烯FE-SEM照片(d)銻烯納米片的AFM照片;(e)沿(d)中白線的相應(yīng)高度剖面; (f)線性透過率Fig.2 (a)The typical Raman spectra of antimonene; (b)XRD image of antimonene nanosheets; (c) FE-SEM image of antimonene with a scale of 200 nm; (d) AFM image of antimonene nanosheets; (e) corresponding height profile along the white line in (d); (f) linear optical transmission

2 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖3所示，將制備的銻烯可飽和吸收體和利用提拉法生長(zhǎng)的Nd∶GYAP晶體組合，共同搭建一個(gè)調(diào)Q激光器。激光器的泵浦源采用發(fā)射波長(zhǎng)為808 nm，纖芯直徑為100 μm，數(shù)值孔徑為0.22的光纖耦合半導(dǎo)體激光器；增益介質(zhì)采用Nd3+摻雜濃度(原子數(shù)分?jǐn)?shù))為1%，尺寸為4 mm×4 mm×5 mm的Nd∶GYAP激光晶體，對(duì)泵浦光的吸收效率為70%。對(duì)曲率半徑為100 mm的輸入鏡M1進(jìn)行鍍膜，使其對(duì)808 nm的光具有高透射率和1.3 μm的光具有高反射率。輸出耦合器M2是一個(gè)平面鏡，對(duì)1.3 μm的光透射率為5%。泵浦光束通過光學(xué)成像系統(tǒng)(1∶2成像模塊)聚焦后耦合到光斑半徑為100 μm的Nd∶GYAP激光晶體中。激光晶體沿b軸切割和拋光，同時(shí)為了有效降低熱透鏡效應(yīng)，將激光晶體包裹于銦箔中，并在17 ℃下放置在帶有循環(huán)冷卻水的銅塊中進(jìn)行散熱。輸入輸出鏡均為進(jìn)行了鍍膜處理的反射鏡，且激光諧振腔長(zhǎng)為25 mm。將作為可飽和吸收體的附著銻烯納米片的K9襯底插入輸出鏡附近，在輸出耦合器的后端放置一個(gè)1 000 nm長(zhǎng)波通濾波器(Thorlabs，F(xiàn)EL 1000)，以阻擋泵浦光。為分析輸出激光特性, 使用了安捷倫數(shù)字示波器(DSO90604A，6 GHz)、快速InGaAs光電探測(cè)器(Thorlabs，DET08C/M)、光譜分析儀(Zolix，Omni-λ300)。

圖3 被動(dòng)調(diào)Q Nd∶GYAP激光器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the experimental setup of the passively Q-switched Nd∶GYAP laser

3 結(jié)果與討論

3.1 連續(xù)與調(diào)Q激光功率特性

在沒有將銻烯樣品加入諧振腔前，激光器實(shí)現(xiàn)連續(xù)波激光輸出，其輸出功率如圖4所示，可以看出，連續(xù)激光的閾值吸收泵浦功率為0.82 W，當(dāng)吸收泵浦功率為3.07 W時(shí)，連續(xù)激光最大輸出功率為466 mW，對(duì)應(yīng)效率為20.1%。將銻烯可飽和吸收體插入諧振腔后，與連續(xù)激光器相比，腔內(nèi)損耗增大，導(dǎo)致激光器閾值增大，激光器效率降低，為12.5%，且最大平均輸出功率下降為284 mW。

圖4 不同工作狀態(tài)下Nd∶GYAP激光器的平均輸出功率Fig.4 Average output power of Nd∶GYAP laser in different operation regimes

圖5 (a)脈沖寬度、重復(fù)頻率與吸收泵功率的關(guān)系；(b)峰值功率和脈沖能量與吸收泵功率的關(guān)系；(c)Nd∶GYAP激光器在調(diào)Q模式下的激光發(fā)射光譜；(d)銻烯可飽和吸收體調(diào)Q Nd∶GYAP激光器的單脈沖及其所在脈沖序列Fig.5 (a) Pulse width and repetition rate versus absorbed pump power; (b) peak power and pulse energy versus absorbed pump power; (c) laser emission spectra of Nd∶GYAP laser in Q-switched regimes; (d) single pulse and its pulse sequence from the antimonene-SA Q-switched Nd∶GYAP laser

3.2 調(diào)Q激光脈沖特性

本文中對(duì)該調(diào)Q激光器的激光脈沖特性也有詳細(xì)研究，圖5(a)所示為激光脈沖寬度、重復(fù)率隨泵浦功率變化的關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)吸收泵浦功率從0.823 W增加到3.07 W時(shí)，脈沖寬度從1 395 ns單調(diào)下降到589 ns，相應(yīng)的重復(fù)頻率從61 kHz增加到424 kHz。圖5(b)為計(jì)算的峰值功率、單脈沖能量隨泵浦功率變化的關(guān)系，可以看出，在吸收泵浦功率為3.07 W的情況下，最大峰值功率為1.14 W，最大單脈沖能量為669.43 nJ。圖5(c)所示為調(diào)Q模式下的激光光譜圖，其中心發(fā)射波長(zhǎng)為1 341.2 nm。通過圖5(d)中的脈沖序列，可以看出所獲得的脈沖激光較為穩(wěn)定。這也表明所制備的銻烯納米片具有飽和吸收特性，可以作為1.3 μm激光器的調(diào)Q器件。

4 結(jié) 論

綜上所述，采用預(yù)研磨液相剝離法，成功地制備了銻烯納米片，并將其涂覆在K9玻璃基底上作為可飽和吸收體。首次展示了帶有銻烯納米片可飽和吸收體的1.3 μm被動(dòng)調(diào)Q激光器。在最大吸收泵浦功率為3.07 W，對(duì)應(yīng)于424 kHz的重復(fù)頻率下，獲得了589 ns的最短脈沖寬度，峰值功率為1.14 W。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，銻烯納米片制造簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，且具有在近紅外區(qū)域作為全固態(tài)調(diào)Q激光器的飽和吸收體的潛力。