鈣鈦礦可飽和吸收體紅外激光器研究進(jìn)展

翟學(xué)君,高露露,閔歡歡,劉廣華,蘭瑞君,申英杰

(煙臺(tái)大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005)

1 引 言

2 μm激光器的輸出波段處在大氣窗口、熱輻射區(qū)域和水的吸收峰值,屬于對(duì)人眼安全的激光。2 μm激光對(duì)水(生物組織、表皮、器官等)具有強(qiáng)烈的吸收作用,對(duì)皮膚等組織的穿透能力較弱,能夠切除人體壞死組織并對(duì)生物組織起到凝固效應(yīng),對(duì)外圍組織傷害較小,在激光手術(shù)切割中可以使傷口出血點(diǎn)盡快凝固,減小出血量。因此,2 μm 激光可以應(yīng)用于腫瘤切割、外科手術(shù)、牙科手術(shù)等醫(yī)療領(lǐng)域。同時(shí),隨著人們對(duì)于環(huán)境問(wèn)題的逐漸關(guān)注,對(duì)提高大氣CO2濃度測(cè)量靈敏度的需求也越來(lái)越強(qiáng)烈,而2 μm激光對(duì)CO2具有很高的吸收峰,因此作為差分吸收激光雷達(dá)發(fā)射器的2 μm激光器的研究也越來(lái)越受到人們的重視。同時(shí),2 μm激光器在相干多普勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)等方面也具有重要應(yīng)用價(jià)值,還可作為3～5 μm和8～12 μm中遠(yuǎn)紅外激光器泵浦源[1]。一般情況下,光參量振蕩器的泵浦源應(yīng)是偏振光,而且必須具備較高的光束質(zhì)量和較大的單脈沖能量[2]。2 μm激光器因?yàn)榇竽芰俊⒏咧仡l、高功率,則成為光參量振蕩器的首選最佳泵浦源。使用2 μm波段的激光作為光學(xué)參量振蕩器的泵浦源,可以產(chǎn)生3～5 μm中紅外激光,用于石油開(kāi)采、大氣溫室氣體檢測(cè)、數(shù)據(jù)通信和激光光譜學(xué)研究等領(lǐng)域[3]。早期,科學(xué)家通過(guò)在激光器諧振腔中放入儲(chǔ)能晶體并外接調(diào)制器的方式控制激光損耗,從而實(shí)現(xiàn)2 μm波段超短脈沖輸出[4],即聲光、電光等主動(dòng)調(diào)制技術(shù)。二十一世紀(jì)以來(lái),隨著工業(yè)化的發(fā)展,主動(dòng)調(diào)制技術(shù)所輸出的2 μm脈沖激光已無(wú)法滿足部分行業(yè)的要求,為了探索飛秒級(jí)甚至更窄脈寬的脈沖激光輸出,科學(xué)家們便將目光轉(zhuǎn)移到了激光的被動(dòng)調(diào)制技術(shù)上。目前,比較常見(jiàn)的兩種激光被動(dòng)調(diào)制技術(shù)是被動(dòng)調(diào)Q(Passively Q-Switched,PQS)和被動(dòng)鎖模(Passively Mode-Locked,PML)。依靠被動(dòng)調(diào)制技術(shù)的激光器因無(wú)需外加調(diào)制器,具有體積小、壽命長(zhǎng)、可獲得更窄脈寬激光等優(yōu)點(diǎn),逐漸得到了人們的廣泛關(guān)注[5]。隨著科學(xué)家的不斷研究,2 μm波段領(lǐng)域短脈沖激光器獲得了巨大的進(jìn)展?？娠柡臀阵w(Saturable Absorber,SA)是實(shí)現(xiàn)短脈沖被動(dòng)調(diào)Q和被動(dòng)鎖模激光器的核心器件?？娠柡臀阵w的性能是否穩(wěn)定是制約短脈沖激光器發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。因此,探索性能優(yōu)異的可飽和吸收體材料和可飽和吸收體的制備方法已經(jīng)成為一個(gè)備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。鈣鈦礦材料作為一種新興半導(dǎo)體材料,具有吸收系數(shù)大、載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度長(zhǎng)、缺陷態(tài)密度低和帶隙可調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn),成為可飽和吸收體的優(yōu)秀候選材料,在太陽(yáng)能電池、光源和固體激光器等光電領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[6]。

綜上所述,隨著鈣鈦礦制備工藝的逐漸發(fā)展,將鈣鈦礦材料作為2 μm激光器的可飽和吸收體,通過(guò)調(diào)Q技術(shù)和鎖模技術(shù)實(shí)現(xiàn)具有高功率、高重頻、窄脈寬和高光束質(zhì)量的2 μm激光的輸出具有很大的發(fā)展前景。

2 鈣鈦礦材料

鈣鈦礦是1839年,由俄國(guó)礦物學(xué)家Von Perovski首次發(fā)現(xiàn),并用自己的名字命名,傳統(tǒng)鈣鈦礦的化學(xué)成分為CaTiO3,屬于正交晶系[7-8]?，F(xiàn)在的鈣鈦礦逐漸成為一類具有分子通式ABX3的物質(zhì)。A位一般是一價(jià)堿金屬離子(如Cs+、Rb+等),或者有機(jī)基團(tuán),如甲胺(CH3NH3+、MA+)、甲瞇(CH(NH2)2+、FA+)等。B位一般是二價(jià)金屬陽(yáng)離子(Bi2+、Pb2+、Cu2+、Sn2+等),X位一般是鹵族元素(I-、Br-、Cl-等)。理想的立方體鈣鈦礦的晶胞單元結(jié)構(gòu)圖和通式ABX3三維晶體結(jié)構(gòu)圖[9],如圖1所示,B位二價(jià)金屬陽(yáng)離子與X位鹵族元素構(gòu)成八面體結(jié)構(gòu)[BX6]4-,A元素又在八面體外部構(gòu)成一個(gè)六面體,B位金屬離子處于八面體的中心位置,X位鹵族元素位于八面體的六個(gè)頂點(diǎn),并且這六個(gè)頂點(diǎn)又處于外部六面體的六個(gè)面的中心位置。另外,每八個(gè)[BX6]4-八面體在空間上會(huì)構(gòu)建一個(gè)三維的立方結(jié)構(gòu),并且八面體位于這個(gè)結(jié)構(gòu)的邊角上。陽(yáng)離子A占據(jù)了由八個(gè)八面體組成的立方面體空腔的中心位置,保持著系統(tǒng)的電中性。

圖1 鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)[9]

自1960年第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世,發(fā)現(xiàn)了許多的物質(zhì)可以用于激光器的被動(dòng)調(diào)制,其中包含大量的有機(jī)與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體納米材料,而鈣鈦礦就是其中的佼佼者。2009年,Kojima等[10]人發(fā)現(xiàn)了兩種有機(jī)鉛鹵化物鈣鈦礦納米晶體CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3可以有效地敏化TiO2以在光電化學(xué)電池中進(jìn)行可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換。在此基礎(chǔ)上,使用有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦MAPbI3制造出了染料敏化太陽(yáng)能電池,光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)3.8 %。2017年,湖南大學(xué)的Yi等[11]人使用Z-scan掃描技術(shù)發(fā)現(xiàn)CH3NH3PbI3鈣鈦礦薄膜在1560 nm和1930 nm處具有非線性傳輸特性。2019年,Wang等[12]人利用鈣鈦礦材料具有的較大吸收系數(shù)、較低缺陷態(tài)密度、較長(zhǎng)的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度等優(yōu)點(diǎn),將光伏發(fā)電效率提升到24.2 %,性能與商業(yè)薄膜電池相當(dāng),也直追商業(yè)上傳統(tǒng)的單晶硅和碲化鎘太陽(yáng)能電池。

此外,鈣鈦礦材料憑借波長(zhǎng)可調(diào)性、較長(zhǎng)的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度、較高的熒光效應(yīng)等優(yōu)異性能[13-15],廣泛應(yīng)用于激光器和光電探測(cè)器等多個(gè)領(lǐng)域。所以,研究基于鈣鈦礦材料的可飽和吸收體并應(yīng)用于激光器中,獲得光學(xué)性能更加優(yōu)異的激光輸出具有十分重要的意義。

所以,以鈣鈦礦材料作為可飽和吸收體通過(guò)被動(dòng)調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)2 μm激光的短脈沖輸出具有巨大的發(fā)展前景。下面就基于鈣鈦礦可飽和吸收體,介紹被動(dòng)鎖模與被動(dòng)調(diào)Q兩種類型的激光器發(fā)展現(xiàn)狀。

3 鈣鈦礦可飽和吸收體紅外激光器

3.1 鈣鈦礦可飽和吸收體被動(dòng)調(diào)Q紅外激光器

哥倫比亞大學(xué)的Hellwarth和Mcclung在1961年提出調(diào)Q技術(shù)[16]。目前,調(diào)Q技術(shù)分為主動(dòng)調(diào)Q技術(shù)和被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)兩種。主動(dòng)調(diào)Q技術(shù)是通過(guò)外部驅(qū)動(dòng)源的作用來(lái)控制諧振腔的Q值變化,而被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)是通過(guò)腔內(nèi)光強(qiáng)的改變來(lái)達(dá)到控制諧振腔Q值的目的。在調(diào)Q實(shí)驗(yàn)中,被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)比主動(dòng)調(diào)Q技術(shù)更加常用,這是因?yàn)殡m然主動(dòng)調(diào)Q的實(shí)驗(yàn)相比被動(dòng)調(diào)Q易于操作,但是被動(dòng)調(diào)Q實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低,更受研究人員青睞。與主動(dòng)調(diào)Q技術(shù)相比,被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)可以通過(guò)可飽和吸收體器件對(duì)特定波段的光波具有的非線性飽和吸收作用,自主改變諧振腔內(nèi)的Q值,實(shí)現(xiàn)Q值的被動(dòng)變化,獲得有序的脈沖輸出。尤其重要的是被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)不受外部驅(qū)動(dòng)設(shè)備的限制。被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)因?yàn)槭褂每娠柡臀阵w不需要外加電場(chǎng)或光場(chǎng)調(diào)制,只需要在激光腔內(nèi)插入非線性光學(xué)器件,因此更加方便高效,更加易于制備。然而,被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)仍舊存在一定的不足,如激光器中用于被動(dòng)調(diào)Q的可飽和吸收鏡(SESAM)存在相對(duì)窄的工作帶寬、制造過(guò)程復(fù)雜、低的損傷閾值和有限的響應(yīng)時(shí)間等不足。因此,研究性能優(yōu)異的SA仍然是一個(gè)值得探索的課題。隨著材料領(lǐng)域的快速發(fā)展,基于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料的光電器件的探索也加快了步伐。一個(gè)理想的SA應(yīng)該具有快速恢復(fù)時(shí)間、低飽和強(qiáng)度、寬的可操作波長(zhǎng)帶寬以及高損傷閾值等穩(wěn)定特性,而鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料的出現(xiàn)使我們離理想的SA更進(jìn)一步。因此,基于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料的SA被動(dòng)調(diào)Q激光器在2 μm激光領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2016年,Zhang等[17]報(bào)道了具有較大非線性折射率的三碘化物(CH3NH3PbI3)和混合鹵化物(CH3NH3PbI3-xClx)鈣鈦礦吸收材料的非線性光學(xué)響應(yīng)。

同時(shí),他們研究發(fā)現(xiàn)CH3NH3PbI3和CH3NH3PbI3-xClx都具有飽和效應(yīng)以及非線性吸收系數(shù)小的特點(diǎn)。因此,他們基于此演示了一種以鈣鈦礦為可飽和吸收體的Nd∶YAG固體調(diào)Q脈沖激光器,如圖2所示,實(shí)現(xiàn)了最大輸出功率為29mW,脈沖寬度為305 ns的激光輸出。

圖2 摻釹釔鋁石榴石(Nd∶YAG)激光器[17]

2017年,Huang等[18]人報(bào)道了基于混合光纖的被動(dòng)調(diào)Q摻鐿光纖激光器,如圖3所示。該激光器使用CH3NH3PbI3為可飽和吸收體,且當(dāng)激光器重復(fù)頻率達(dá)到36.4 kHz時(shí),最短脈沖寬度為919 ns,單脈沖能量為0.77 μJ。

圖3 鈣鈦礦被動(dòng)調(diào)Q光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置[18]

2019年,Wang等[19]人使用CH3NH3PbI3鈣鈦礦作為可飽和吸收體制作被動(dòng)調(diào)Q Nd∶YAG激光器,如圖4所示。實(shí)驗(yàn)證明CH3NH3PbI3可飽和吸收體具有較大的非線性飽和吸收效應(yīng),調(diào)制深度和飽和強(qiáng)度分別為3.9 %和6.5 mW/cm2。同時(shí),激光器基于CH3NH3PbI3可飽和吸收體,實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的調(diào)Q激光操作,最大平均輸出功率為388 mW,對(duì)應(yīng)192 ns的脈沖寬度,重復(fù)頻率為337 kHz,峰值功率為5.99 W。

圖4 被動(dòng)調(diào)Q Nd∶YAG激光器原理圖[19]

2019年,Wang等[20]人通過(guò)旋涂方法在1.34 μm處制備了CH3NH3PbI3鈣鈦礦薄膜可飽和吸收體,并應(yīng)用于被動(dòng)調(diào)Q Nd∶YVO4激光器,如圖5所示。當(dāng)激光器的輸出最短脈寬達(dá)到181.6 ns時(shí),可以獲得的重復(fù)頻率為326.8 kHz,對(duì)應(yīng)單脈沖能量為0.56 μJ。

圖5 被動(dòng)調(diào)Q Nd∶YVO4激光器裝置示意圖[20]

2022年,哈爾濱理工大學(xué)的Li[21]使用具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT)作為可飽和吸收體制作了被動(dòng)調(diào)Q激光器,如圖6所示。在被動(dòng)調(diào)Q模式下,當(dāng)激光器泵浦源功率達(dá)到12.76 W時(shí),激光器獲得穩(wěn)定的脈沖激光輸出,且當(dāng)激光器重復(fù)頻率為175 kHz時(shí),獲得的最短脈沖寬度和平均輸出功率分別為1.69 μs和0.81 W,對(duì)應(yīng)的單脈沖能量和光-光轉(zhuǎn)換效率分別為4.63 μJ和6.35 %。此外,激光器的連續(xù)波Tm∶YAP激光和被動(dòng)調(diào)Q Tm∶YAP激光輸出中心波長(zhǎng)分別為1994.3 nm和1991.9 nm。

圖6 被動(dòng)調(diào)Q Tm∶YAP激光器的實(shí)驗(yàn)裝置[21]

3.2 鈣鈦礦可飽和吸收體被動(dòng)鎖模紅外激光器

激光鎖模技術(shù)是使各縱模在時(shí)間上同步,頻率間隔也保持一定,則激光器將輸出脈寬極窄、峰值功率很高的超短脈沖。鎖模技術(shù)分為主動(dòng)鎖模技術(shù)和被動(dòng)鎖模技術(shù)。主動(dòng)鎖模技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要是在諧振腔內(nèi)插入主動(dòng)調(diào)制器件,例如聲光調(diào)制器或者電光調(diào)制器,最終實(shí)現(xiàn)模式鎖定,輸出超短脈沖。被動(dòng)鎖模技術(shù)的工作原理,主要是在激光器中插入可飽和吸收器件,實(shí)現(xiàn)鎖模。相對(duì)于調(diào)Q技術(shù),鎖模技術(shù)得到的單脈沖能量沒(méi)有調(diào)Q技術(shù)的大,但是得到的脈沖寬度比調(diào)Q技術(shù)更窄,可達(dá)到飛秒級(jí)別超短脈沖輸出,具有調(diào)Q激光器不可比擬的優(yōu)勢(shì),在許多光學(xué)研究中,具有非常重要的作用。

目前實(shí)現(xiàn)超短脈沖輸出的主流方法是使用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的激光鎖模技術(shù)[22]。但是,半導(dǎo)體可飽和吸收鏡存在制作工藝復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)。因此,激光領(lǐng)域的科研學(xué)者們便在尋找可以代替SESAM的可飽和吸收體。隨著石墨烯材料的快速發(fā)展,科學(xué)家逐漸發(fā)現(xiàn)了更多具有優(yōu)異性能的光學(xué)材料,并使用這些材料成功制作出了基于可飽和吸收體的短脈沖激光器,如拓?fù)浣^緣體、六方氮化硼、二維層狀過(guò)渡金屬硫化物、黑磷、石墨相氮化碳,金屬有機(jī)骨架化合物、共價(jià)有機(jī)骨架化合物、層狀雙金屬氫氧化物等材料[23-28]。雖然出現(xiàn)了如此多的新材料用于激光系統(tǒng)的調(diào)制,但是科學(xué)家們?nèi)匀幌胩剿骶哂许憫?yīng)速度快、成本低、高損傷閾值以及易于集成到激光系統(tǒng)等特點(diǎn)的優(yōu)異光學(xué)材料。隨著科學(xué)家的不懈努力,近年來(lái)符合上述特點(diǎn)的具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的可飽和吸收體,進(jìn)入了人們的視線并不斷的被人們深入探索與發(fā)展。

和主動(dòng)鎖模技術(shù)相比,被動(dòng)鎖模技術(shù)得到的輸出脈沖脈寬更窄。此外,被動(dòng)鎖模技術(shù)的實(shí)現(xiàn)不需要在諧振腔內(nèi)插入主動(dòng)調(diào)制器件,也不需要從外部注入信號(hào)進(jìn)行控制,因此光學(xué)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單并且成本較低。

2016年,Zhou[29]等人成功制備了一種層狀CsPbBr3納米晶薄膜,并利用其制作了可飽和吸收體被動(dòng)鎖模摻鐿光纖激光器,如圖7所示。當(dāng)泵浦功率達(dá)到1.2 W時(shí),激光器的SA鎖模操作會(huì)產(chǎn)生單脈沖,且脈沖持續(xù)時(shí)間為216 ps,最大平均輸出功率為10.5 mW,中心輸出波長(zhǎng)為1076 nm。

圖7 CsPbBr3鎖模光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置[29]

2017年,Li[30]等人報(bào)道了一種基于CH3NH3PbI3可飽和吸收體的摻鐿光纖激光器,如圖8所示。當(dāng)重復(fù)頻率達(dá)到4.08 MHz時(shí),激光器的輸出鎖模脈沖寬度為931 ps,對(duì)應(yīng)的峰值功率為4.14 W,且可飽和吸收體的調(diào)制深度為8 %。

圖8 CH3NH3PbI3鎖模光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置[30]

含Pb的鈣鈦礦材料憑借優(yōu)良的光電性能和可溶液加工的特點(diǎn),受到激光器領(lǐng)域研究人員的喜愛(ài)[31]。但是,鉛基鈣鈦礦材料卻擁有巨大的毒性和不穩(wěn)定性,對(duì)環(huán)境會(huì)造成巨大的破壞。因此,使用其他毒性較小或者無(wú)毒的離子代替鉛離子,合成非鉛鈣鈦礦材料,降低對(duì)環(huán)境的毒性破壞,是未來(lái)新一代鈣鈦礦材料的發(fā)展方向之一。2017年,Chen[32]等人實(shí)現(xiàn)了用Sn代替Pb制備了CH3NH3SnI3可飽和吸收體,并成功應(yīng)用于激光器中,如圖9所示。當(dāng)激光器的泵浦功率達(dá)到591.3 mW時(shí),可以獲得平均功率為2.82 W的激光輸出。當(dāng)激光器重復(fù)頻率達(dá)到4.03 MHz時(shí),可以獲得最短脈沖寬度為1.77 ns,對(duì)應(yīng)單脈沖能量為0.7 nJ的1060 nm激光。

圖9 CH3NH3SnI3鈣鈦礦薄片光纖激光器環(huán)形腔[32]

2017年,Jiang等人[33]報(bào)道了有機(jī)-無(wú)機(jī)鹵化物鈣鈦礦CH3NH3PbI3的非線性光學(xué)響應(yīng),并制備了被動(dòng)鎖模摻鉺光纖激光器,如圖10所示。該CH3NH3PbI3可飽和吸收體器件的調(diào)制深度為27.8 %,飽和強(qiáng)度為0.93 mW/cm2,厚度為280 nm。當(dāng)激光器的最短鎖模脈沖寬度達(dá)到661 fs時(shí),可以獲得重復(fù)頻率為13.15 MHz和單脈沖能量為0.13 nJ的1555 nm激光。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)有機(jī)-無(wú)機(jī)鹵化物鈣鈦礦在C波段窗口具有明顯的三階非線性光學(xué)響應(yīng),在非線性光電子器件中具有潛在的應(yīng)用前景。

圖10 具有鈣鈦礦SA的鎖模EDF激光器的裝置圖[33]

2018年,Bao等人[34]使用直接生長(zhǎng)的CH3NH3SnI3微晶制作了摻鐿鎖模激光器,如圖11所示。CH3NH3SnI3可飽和吸收體顯示出15.2 %的較高非線性光學(xué)調(diào)制深度和76.5 mW/cm2的相當(dāng)?shù)偷娘柡臀諒?qiáng)度。激光器在鎖模模式下可以獲得穩(wěn)定鎖模脈沖持續(xù)時(shí)間為1.77 ns、最大輸出功率為28.19 mW的1064 nm激光。

圖11 鎖模光纖激光器環(huán)形腔示意圖[34]

2018年,Hong等人[35]合成了一種新型薄膜鈣鈦礦(C6H5C2H4NH3)2PbI4微晶,并通過(guò)摻鉺光纖激光器對(duì)其非線性性質(zhì)進(jìn)行了研究,如圖12所示。激光器的中心波長(zhǎng)通過(guò)調(diào)整光學(xué)增益可以在C波段的1565.9 nm和L波段的1604 nm之間進(jìn)行調(diào)諧。

圖12 摻鉺光纖環(huán)形激光器鎖模原理圖[35]

2018年,Miao等人[36]將CH3NH3PbI3作為可飽和吸收體加入摻鉺光纖激光器,如圖13所示。在穩(wěn)定鎖模操作下,該激光器可以獲得光譜寬度為2.75 nm、脈沖持續(xù)時(shí)間為1.13 ps和重復(fù)頻率為4 MHz的1568.9 nm激光。

圖13 被動(dòng)鎖模光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖[36]

2022年,哈爾濱理工大學(xué)的Li[21]使用具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的PZT作為可飽和吸收體制作了被動(dòng)鎖模Tm∶YAP激光器,如圖14所示。在鎖模模式下,當(dāng)泵浦源輸入功率達(dá)到26.21 W時(shí),激光器開(kāi)始輸出鎖模脈沖。激光器在重復(fù)頻率為102.04 MHz時(shí),獲得的平均輸出功率和最窄脈沖寬度分別為0.297 W和820.73 ps,對(duì)應(yīng)峰值功率和光-光轉(zhuǎn)換效率分別為3.55 W和1.13 %。此外,該激光器在連續(xù)波運(yùn)轉(zhuǎn)模式和被動(dòng)鎖模模式下的輸出中心波長(zhǎng)分別為1942.8 nm和1936.1 nm。

圖14 被動(dòng)鎖模Tm∶YAP激光器實(shí)驗(yàn)裝置[21]

根據(jù)BX6鈣鈦礦層的數(shù)目,可以將鈣鈦礦材料分為二維、準(zhǔn)二維和三維三種結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的三維鈣鈦礦材料相比,新出現(xiàn)的二維鈣鈦礦材料憑借著較高的熒光量子效率、光吸收系數(shù)、增益系數(shù)以及在環(huán)境能更好地保持穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),在激光器領(lǐng)域備受關(guān)注。同時(shí),準(zhǔn)二維的鈣鈦礦材料也憑借著特有的多量子阱結(jié)構(gòu),能夠快速實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移,進(jìn)一步提高了材料的發(fā)光能力,在激光器領(lǐng)域也有著不錯(cuò)的表現(xiàn)[37]。

2022年,Yang等人[38]證明了具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的(PEA)2(CsPbBr3)n-1PbBr4材料的2D、準(zhǔn)2D和3D結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異的飽和吸收效應(yīng)。通過(guò)在摻鉺光纖激光器中的兩個(gè)光纖連接器之間夾持2D,準(zhǔn)2D和3D結(jié)構(gòu)的(PEA)2(CsPbBr3)n-1PbBr4可飽和吸收體,如圖15所示,可以獲得脈寬分別為492 fs、922 fs和950 fs的17.4 MHz激光脈沖;同時(shí)相應(yīng)的中心波長(zhǎng)分別為1569.5 nm、1562.0 nm和1558.8 nm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(PEA)2(CsPbBr3)n-1PbBr4可飽和吸收體具有強(qiáng)烈的非線性效應(yīng),這意味著它是一個(gè)在超快激光領(lǐng)域有前途的SA。

圖15 基于光纖激光器的被動(dòng)鎖模實(shí)驗(yàn)裝置[38]

4 結(jié) 論

近幾十年,隨著石墨烯材料的發(fā)展,鈣鈦礦材料也越來(lái)越受到研究人員的關(guān)注。研究人員將鈣鈦礦材料用于可飽和吸收體進(jìn)行被動(dòng)調(diào)Q和被動(dòng)鎖模,從而獲得短脈沖激光。從當(dāng)前的研究成果看,鈣鈦礦可飽和吸收體激光器在輸出功率、單脈沖能量和脈沖寬度方面都取得了一定的進(jìn)步。

從被動(dòng)調(diào)制技術(shù)方面看,鈣鈦礦可飽和吸收體被動(dòng)調(diào)Q激光器已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖寬度達(dá)到μs級(jí)別的穩(wěn)定脈沖激光輸出。并且,激光器光束質(zhì)量因子M2在x軸和y軸方向已經(jīng)能夠達(dá)到1.17和1.15。隨著時(shí)間的發(fā)展,鈣鈦礦可飽和吸收體用于被動(dòng)調(diào)Q將取得更大的進(jìn)步與發(fā)展。相比于將鈣鈦礦材料用于被動(dòng)調(diào)Q,用于被動(dòng)鎖模的鈣鈦礦可飽和吸收體激光器的脈沖寬度取得的進(jìn)步更加巨大,已經(jīng)能夠從早期的ns級(jí)別發(fā)展到了現(xiàn)在的ps級(jí)別。而且,被動(dòng)鎖模激光器的光束質(zhì)量因子M2在x軸方向能夠達(dá)到1.09,在y軸方向能夠達(dá)到1.12,在一些領(lǐng)域應(yīng)用的更加廣泛。從所含元素方面看,早期的鈣鈦礦材料主要是CH3NH3PbI3,因?yàn)楹蠵b離子,毒性較大。研究人員逐漸開(kāi)始用Sn離子或者Cu離子等代替Pb離子,合成無(wú)鉛無(wú)毒的鈣鈦礦材料。所以,開(kāi)發(fā)新的無(wú)鉛鈣鈦礦材料,是鈣鈦礦材料發(fā)展的必然趨勢(shì)。從鈣鈦礦結(jié)構(gòu)來(lái)看,隨著時(shí)間的發(fā)展,研究人員將目光投向了具有新結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦材料,二維和準(zhǔn)二維鈣鈦礦因此誕生。與三維鈣鈦礦材料不同,二維鈣鈦礦材料因?yàn)榱孔酉抻蛐?yīng)和介電限域效應(yīng),在結(jié)合能和輻射效率方面更加優(yōu)秀。從穩(wěn)定性方面看,鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性較差,空氣中的水、氧氣、紫外線和溫度等因素均會(huì)對(duì)鈣鈦礦造成影響。因此,尋找新的方法提升穩(wěn)定性是鈣鈦礦材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。從激光器輸出波長(zhǎng)的角度看,鈣鈦礦可飽和吸收體激光器主要的輸出波長(zhǎng)集中在1 μm、1.5 μm以及1.9 μm附近,還沒(méi)有達(dá)到2 μm的領(lǐng)域。

未來(lái),可以通過(guò)界面工程手段、封蓋技術(shù)、穩(wěn)定劑、設(shè)備封裝等方法,提升鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性;通過(guò)對(duì)組成成分的控制,使用Sn離子或者Cu離子等無(wú)毒離子代替Pb離子,降低鈣鈦礦材料的環(huán)境毒性;此外,可以嘗試使用電泵浦、改善熱管理、提高二維和準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料的耐電性以及優(yōu)化諧振腔匹配問(wèn)題等方法,進(jìn)一步提高鈣鈦礦可飽和吸收體被動(dòng)調(diào)制激光器的性能,獲得脈沖穩(wěn)定性更好、光束質(zhì)量更優(yōu)秀的激光。并且,可以繼續(xù)尋找不含鉛新型鈣鈦礦復(fù)合結(jié)構(gòu)材料同時(shí)結(jié)合上述方法,用于激光器被動(dòng)調(diào)Q或者被動(dòng)鎖模,實(shí)現(xiàn)低閾值、高品質(zhì)的穩(wěn)定2 μm窄脈寬激光輸出。