基于石墨烯可饱和吸收的锁模光纤激光器研究
石墨烯光电子器件的应用研究进展
石墨烯光电子器件的应用研究进展李绍娟;甘胜;沐浩然;徐庆阳;乔虹;李鹏飞;薛运周;鲍桥梁【摘要】自2004年被发现以来，石墨烯因其卓越的光学和电学性能及其与硅基半导体工艺的兼容性，备受学术界和工业界的广泛关注。
作为一种独特的二维原子晶体薄膜材料，石墨烯有着优异的机械性能、超高的热导率和载流子迁移率、超宽带的光学响应谱及极强的非线性光学特性，使其在新型光学和光电器件领域具有得天独厚的优势。
一系列基于石墨烯的新型光电器件先后被研制出，已显示出优异的性能和良好的应用前景。
此外，近期石墨烯表面等离子体激元的发现及太赫兹器件的研究进一步促进了石墨烯基光电器件的蓬勃发展。
综述重点总结近年来石墨烯在超快脉冲激光器、光调制器、光探测器以及表面等离子体领域的应用研究进展，并进一步分析目前所面临的主要问题、挑战及其发展趋势。
%Graphene has very significant optical and electronic properties, which attract enormous attention. As a unique two-di-mensional crystal with one atom thickness, it has high electron and thermal conductivities in addition to ? exibility, robustness and impermeability to gases. Its ultra-broad band optical response and excellent non-linear optical properties make it a wonderful material for developing next generation photonic and optoelectronic devices. The fabrication of graphene-based devices is compatible with the existing semiconductor process, which has stimulated lots of graphene-based hybrid silicon-CMOS ( Complementary metal-oxide-semiconductor transistor) applications. Here we review the latest progress in graphene-based photonic and optoelectronic devices, ranging from pulsed lasers, modulators and photodetectors to optical sensors. Other exciting topicssuch as graphene surface plas-mons and their terahertz applications are also discussed.【期刊名称】《新型炭材料》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】28页(P329-356)【关键词】石墨烯;脉冲激光器;光调制器;光探测器;表面等离子体;太赫兹【作者】李绍娟;甘胜;沐浩然;徐庆阳;乔虹;李鹏飞;薛运周;鲍桥梁【作者单位】苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州纳米科技协同创新中心，江苏省碳基功能材料与器件高技术研究重点实验室，江苏苏州 215123【正文语种】中文【中图分类】TM9101 前言硅基光电子技术曾被寄希望于能够实现未来的超高速宽带数据通讯，然而，由于硅基器件目前面临着难以进一步微型化、集约化等问题，从而阻碍了其在高速、宽带数据计算和传输领域的应用。
基于石墨烯的被动锁模掺铒光纤孤子激光器_汪光辉
纤激光器中进行锁 模 ， 输出了脉宽为７ ５ ６ｆ ｓ的 超 短 孤子脉冲 。 此后众多的国内外研究人员对石墨烯作 为可饱和吸 收 体 的 锁 模 和 调 Ｑ 激 光 器 进 行 了 深 入
［ １ ４～２ ０］ １ ２］ 。Ｚ 的研究 ［ ｈ ａ ｎ ｇ等 报 道 了 利 用 石 墨 烯 作 为
为 可 饱 和 吸 收 体 具 有 稳 定 度 高、 可靠性好等优
出
的脉冲 。 ９ ３ ８ｆ ｓ 本文利用光沉积法制备了石墨烯可饱和吸收体 ， 搭建了掺 铒 环 形 腔 全 光 纤 激 光 器 ， 并基于 Ｇ ｉ ｎ ｚ ｂ ｕ ｒ － ｇ Ｌ ａ ｎ ｄ ａ ｕ方程数值分析了其工作原理 。 实验产生了重 ， ， 复频 率 ３ 脉 宽 约１ 平均输出功率 ． １ ６ ＭＨ ｚ ． ３ ２ｐ ｓ 其单脉冲能量为 １ ． ０ ７ｍＷ的 锁 模 孤 子 脉 冲 激 光 ， ， 而且通过调节偏振控制器 ， 中心波长可以在 ０ ． ３ ３ ８ｎ Ｊ １ ５ ５ ６ ． ７ ２ １ ５ ５ ８ ． ７ ６ｎ ｍ 之间调谐 。 ～
石墨烯被动锁模光纤激光器的研究进展
１ 引 言
被动锁模激光器可以产生皮秒 （ ｐ ｓ ） 或飞秒 （ ｆ ｓ ）
级 的超短 脉 冲 ， 在高速光通信 、 非线性光学 、 生 物 医 学 等众 多领 域有 着 广 阔 的应 用 。其 中 ， 光纤 激 光 器 又 因为结 构 简单 紧 凑 、 稳定性高 、 成本低 、 容 易 集 成
・ 综述 与评论 ・
石 墨 烯 被 动 锁 模 光 纤 激 光 器 的研 究 进 展
宋浩 青 ， 杨 爱 英
（ 北京理工大学光 电学 院， 北京 １ ０ ０ ０ ８ １ ）
摘
要： 自２ ０ ０ ９年 石 墨烯 （ Ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｅ ｎ ｅ ） 材料 被成 功 用于 产 生超 短脉冲 以来 ， 出现 了 多种 腔 形 、 多
种 波长 、 多种脉 冲 特性 的锁 模 激光器 。利用 石 墨烯 可 饱 和 吸 收特 性 制 成 的锁 模器 件 具 有 稳定
性好、 响应波长广 、 恢复时间短、 插入损耗小等多方面的优势， 是 目前超短脉冲领域 的研究热 点。重点对石墨烯被动锁模光纤激光器 的研究进展进行 了总结 ， 并针对该领域面临的问题 ， 指
是将半导体量子阱和布拉格镜结合起来 ， 对入射光 进行可饱 和吸收和反射 的装置… 。该技术 已相对 成熟 ， 是目 前商用被动锁模光纤激光器的主流技术。 然而半导体反射镜也有不足之处 ： 需要复杂 、 昂贵 的 半导体生产设备 ， 较大的厚度引起较大的耦合损耗 ， 响应 带 宽 比较窄 等 。
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｓ ｉ ｎ ｃ ｅ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｅ ｎ ｅ ｗａ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｓ ｕ ｃ ｃ ｅ ｓ ｓ ｆ ｕ ｌ ｌ ｙ ｔ ｏ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｅ ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｉ ｎ ２ ０ ０ ９， ｍａ ｎ ｙ ｍｏ ｄ ｅ — ｌ ｏ ｃ ｋ ｅ ｄ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｓ ｈ ａ ｖ ｅ ｅ ｍｅ ｒ ｇ ｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｖ ａ ｉ ｒ ｏ ｕ ｓ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ｙ， ｗ ａ ｖ ｅ ｌ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ａ ｎ ｄ ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｉｓ ｒ ｔ ｉ ｃ ｓ ． Ｍｏ ｄ ｅ － ｌ ｏ ｃ ｋ ｅ ｒ ｓ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｅ ｎ ｅ ｓ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｂ ｌ ｅ ｂ－ ａ
基于石墨烯可饱和吸收被动锁模超快全固体激光器的研究
第31卷 第9期光 学 学 报V ol.31,N o.92011年9月ACTA OPTICA SINICASeptember,2011基于石墨烯可饱和吸收被动锁模超快全固体激光器的研究何京良 郝霄鹏 徐金龙 李先磊 杨 英(山东大学晶体材料国家重点实验室,山东济南250100)摘要 石墨烯具有饱和恢复时间极短、导热性好、吸收带宽、损耗低、成本低廉且容易制备等优点,被认为是光电子应用中理想的半导体可饱和吸收体材料,近几年受到广泛的关注。
介绍了本课题组最近在石墨烯锁模超快全固体激光器研究中取得的一些进展。
在用液相剥离方法成功制备出尺寸大于20L m 的石墨烯薄片的基础上,将其应用于全固态N d B G dV O 4激光器,实现了脉宽16ps 、平均功率360mW 的锁模激光输出,单脉冲能量为8.4nJ;继而在宽带增益介质Y b B K GW 晶体中又实现了脉宽为489fs 的超快激光,平均功率564mW 。
关键词 激光器;全固态激光器;锁模;石墨烯中图分类号 T N 248.1 文献标识码 A doi :10.3788/AOS 201131.0900138Ultrafast Mode -Locked Solid -State Lase rs with GrapheneSaturable AbsorberHe Jingliang Hao Xiaopeng Xu Jinlong Li Xianlei Yang YingSta te Key L abor at or y of Cr y st al M a ter ials ,Sha ndon g Un iver sity ,Ji c na n ,Shan dong 250100,Chin a Abstract Graphene has at tracted wide attention and been believed to be an ideal saturable absorber due to ultrafast saturation recovery time,wide absorption band,low loss,low cost,easy fabrication,super mechanical properties and high thermal conductivity.This paper presents our progress on grapheme prepa ration and its applic ation in solid -state lasers.The high -quality gra phene sheets with lateral size over 20L m a re obtained by bath -sonic ating a fter processing the worm -like graphite ma rginally with mixed oxidizer.With graphene as saturable absorber,16ps pulses have been obtained from the mode -locked Nd B GdVO 4la ser,with an average output power of 360mW and a pulse energy of 8.4nJ.By employing Yb B KGW crystal as gain medium,we have also obtained 489fs pulses with an average output power of 564mW.Key wo rds la sers;al-l solid -state laser;m ode locking;grapheneOCIS co des 140.4050;140.7090;140.3580;160.4330收稿日期:2011-07-18;收到修改稿日期:2011-08-01基金项目:国家自然科学基金(11074148)和国家自然科学基金重大研究计划(91022003)资助课题。
基于石墨烯锁模的波长可调谐耗散光孤子光纤激光器(翻译)
基于石墨烯锁模的波长可调谐耗散光孤子光纤激光器（翻译）Han Zhang,1 Dingyuan Tang,1,a_ R. J. Knize,2 Luming Zhao,1 Qiaoliang Bao,3 and Kian Ping Loh3单原子层石墨烯具有与波长无关的超快可饱和吸收，可以用作在“满带”的锁模器件。
利用石墨烯的宽带可饱和吸收，我们通过实验表明了宽范围（1570～1600纳米）连续波长可调谐耗散光孤子可以在铒掺杂的光纤激光器中通过数层的石墨烯锁模获得。
©2010美国物理学会最近，使用单壁碳纳米管(SWCNTs) 被动锁模的光纤激光器引起了相当大的关注。
1-7研究表明SWCNT锁模器件具有本征超快恢复时间，强可饱和吸收，容易制造并且价格便宜等优点。
特别地，由于SWCNT是直接带隙材料，其能带决定于纳米管的直径和手征，通过把不同直径的SWCNT混合在一起，便可获得一个宽带宽可饱和吸收锁模器件。
通过实验展示了一个宽带宽波长可调谐的利用SWCNT锁模的掺铒光纤激光器。
2然而宽带SWCNT锁模器件有固有的缺点：某一直径的SWCNT只对特定波长范围的光波有可饱和吸收作用，而且SWCNT容易成束并最终变成散射区域。
因此，多种直径SWCNT的共存造成了锁模器件的附加线性损耗，致使锁模激光器难以获得。
在这篇文章中，我们证明了使用石墨烯做款带宽的可饱和吸收体可以克服这些缺点。
我们在一个特殊设计的掺铒光纤激光器中使用石墨烯做锁模器件，第一次实现了宽范围(1570-1600纳米) 连续波长可调谐耗散光孤子光纤激光器。
锁模光纤激光器中的光孤子机制已经被广泛地研究过。
通常关于光纤激光器的光孤子机制的研究集中在反常色散光纤上，在反常色散光纤中，光孤子的形成是因反常色散和光纤中的非线性光克尔效应的自然平衡而形成的，形成的光孤子的运动状态是由非线性薛定谔方程描述的。
最近，实验和理论都进一步证实了光孤子也可以在强常规色散的光纤激光器中形成。
基于石墨烯可饱和吸收体的掺铒光纤环形腔脉冲激光器
基于石墨烯可饱和吸收体的掺铒光纤环形腔脉冲激光器冯德军;黄文育;纪鹏宇;姜守振;隋青美【摘要】利用新型材料石墨烯作为可饱和吸收体,设计了用于光纤通信和材料加工的环形腔结构脉冲光纤激光器,实验研究了石墨烯可饱和吸收产生脉冲输出的原理以及输出脉冲激光的特性.通过激光诱导沉积法将石墨烯材料转移到光纤端面并将其置于环形激光腔结构中；采用974 nm半导体激光器作为抽运源,掺铒光纤作为增益介质,调节偏振控制器的角度得到了稳定的锁模输出脉冲.获得的锁模脉冲中心波长为1 560.1 nm,重复频率为7.89 MHz,脉冲光谱3 dB带宽为0.27 nm,脉冲宽度为14.7 ps.实验显示,由于石墨烯具有良好的可饱和吸收性能,损伤阈值比较高,有望取代单壁碳纳米管成为一种新型的激光锁模材料.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2013(021)005【总页数】5页(P1097-1101)【关键词】光纤脉冲激光器;石墨烯;环形腔;掺铒光纤;锁模输出【作者】冯德军;黄文育;纪鹏宇;姜守振;隋青美【作者单位】山东大学信息科学与工程学院,山东济南250100;山东大学信息科学与工程学院,山东济南250100;山东大学信息科学与工程学院,山东济南250100;山东师范大学物理与电子科学学院,山东济南250014;山东大学控制科学与工程学院,山东济南250061【正文语种】中文【中图分类】TN248.11 引言近年来，单壁碳纳米管（Single Wall Carbon Nano Tubes，SWCNTs）作为可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器引起了人们的广泛关注［1－4］。
用SWCNTs 实现脉冲光纤激光器的锁模具有本征恢复时间短，可饱和吸收强度大，制作容易，成本低廉等优点。
SWCNTs为直接带隙材料，其间隙依赖于纳米管的直径和手性，通过改变SWCNTs的直径大小可以得到一个宽带的可饱和吸收体锁模器件。
但是，宽带的SWCNTs锁模器件也有其本征缺陷：某一直径的SWCNTs只能吸收特定波长的光，从而使可饱和吸收波长范围较窄（几十纳米）；而不同直径的SWCNTs的共同存在会造成锁模器件有额外的线性损耗，增大实现锁模激光的难度。
基于石墨烯的1064 nm连续锁模超短脉冲激光器
基于石墨烯的1064 nm连续锁模超短脉冲激光器史瑞平;白杨;祁媚;魏洪铎;任兆玉;白晋涛【摘要】介绍了利用沉积在增透镜上的石墨烯薄膜作为可饱和吸收体、808 nm 激光二极管端面泵浦Nd ∶YVO4晶体的1 064 nm连续锁模激光输出特性.采用W型折叠谐振腔结构,在808nm泵浦功率为8.0W时,有稳定的连续锁模脉冲输出,平均输出功率达到185 mW;当抽运功率增加到16.0W时,获得了中心波长1 063.4 nm、脉冲宽度为518 fs、重复频率为66.7 MHz、最大平均输出功率为323mW 的百飞秒量级超短脉冲激光输出.实验结果表明:石墨烯具有优良的可饱和吸收性,在1 064 nm波段能够实现高功率、百飞秒量级连续锁模脉冲激光输出.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2014(035)001【总页数】4页(P159-162)【关键词】连续锁模;超短脉冲;石墨烯可饱和吸收体;全固态激光器【作者】史瑞平;白杨;祁媚;魏洪铎;任兆玉;白晋涛【作者单位】西北大学光子学与光子技术研究所,陕西西安710069;陕西省光电技术与功能材料省部共建国家重点实验室培育基地国家级光电技术和功能材料及应用国际科技合作基地,陕西西安710069;西北大学物理学系,陕西西安710069;西北大学光子学与光子技术研究所,陕西西安710069;陕西省光电技术与功能材料省部共建国家重点实验室培育基地国家级光电技术和功能材料及应用国际科技合作基地,陕西西安710069;西北大学光子学与光子技术研究所,陕西西安710069;陕西省光电技术与功能材料省部共建国家重点实验室培育基地国家级光电技术和功能材料及应用国际科技合作基地,陕西西安710069;西北大学物理学系,陕西西安710069;西北大学光子学与光子技术研究所,陕西西安710069;陕西省光电技术与功能材料省部共建国家重点实验室培育基地国家级光电技术和功能材料及应用国际科技合作基地,陕西西安710069;西北大学光子学与光子技术研究所,陕西西安710069;陕西省光电技术与功能材料省部共建国家重点实验室培育基地国家级光电技术和功能材料及应用国际科技合作基地,陕西西安710069;西北大学物理学系,陕西西安710069【正文语种】中文【中图分类】TN219;O43引言近年来，高平均功率、高重复频率全固态被动锁模激光器以其窄脉宽、宽光谱、高功率和高重复频率等特点被广泛应用于激光光谱、量子相干控制、医学、光通信和分子反应动力学等领域。
基于氧化石墨烯的锁模激光实验
基于氧化石墨烯的锁模激光实验程晨;魏加峰;刘博文;张建友;刘杰【摘要】设计了低成本全固态锁模超快激光实验系统，使用透射式氧化石墨烯饱和吸收体作为被动锁模元件，直接插入到腔内，可依次观察到激光的不同运转状态．实验采用结构紧凑的谐振腔设计，获得了二极管端面泵浦Nd∶YVO4晶体的1064 nm连续波被动锁模激光输出，重复频率为81 M Hz ，最大平均输出功率为1．23 W ，相应的锁模单脉冲能量为15．2 nJ ．%A low cost all solid-state mode-locked ultrashort laser operation based on a graphene oxide saturable absorber was designed .By using graphene oxide saturable absorber (SA ) as mode-locked component ,passively mode-locked 1 064 nm continuous wave laser output of end-diode-pump Nd∶YVO4 crystal was obtained with compact resonator .The maximum average output power of 1 .23 W with a repetition rate of 81 M Hz wasobtained ,corresponding to mode-locking single pulse energy of 15 .2 nJ .【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】4页(P1-4)【关键词】二极管泵浦;被动锁模;氧化石墨烯可饱和吸收体;Nd∶YVO4 晶体【作者】程晨;魏加峰;刘博文;张建友;刘杰【作者单位】山东师范大学物理与电子科学学院，山东济南250014;山东师范大学物理与电子科学学院，山东济南250014;山东师范大学物理与电子科学学院，山东济南250014;山东师范大学物理与电子科学学院，山东济南250014;山东师范大学物理与电子科学学院，山东济南250014【正文语种】中文【中图分类】TN248.11 引言超短脉冲激光在光纤通信、超精细微加工、医学、非线性光学应用等领域有广泛应用前景[1-2]. 近年来，半导体二极管激光(LD)泵浦的全固态超快激光器向实用化发展，获得超短脉冲激光的主要方法是利用被动锁模技术及半导体可饱和吸收材料的非线性吸收特性来实现，但传统的半导体饱和吸收镜(SESAMs)因受到材料能隙宽度的限制，对工作波长要求苛刻，制作工艺复杂，价格昂贵，人们一直在寻找一种既有SESAMs的优点又具有宽吸收带和宽带可调制的优秀饱和吸收体. 自2002年对碳纳米材料光学开关特性的研究揭示了该种材料的超快(亚ps)激子衰减时间以来，有关碳纳米管、石墨烯的非线性光学特性及锁模应用研究在世界范围内迅速展开，但碳纳米管的管状形态会产生较大的散射损耗,提高了锁模阈值,限制了激光输出功率和效率. 相比之下，石墨烯类吸收体具有饱和强度低、恢复时间短、散射损耗小、损伤阈值高、光谱宽度大等优点[3-6]，相对于传统的SESAM等饱和吸收体,它们不需要能带工程设计和材料选择,制备成本低，尤其是氧化石墨烯材料通常可以采用化学合成的方法来制备，制作成本更低，生产速率较高. 另外，氧化石墨烯溶于水，它在水溶液中的分散效果更好，原料利用率更高，很适合做饱和吸收体[7]. 这给超快激光的研究提供了一个新的机遇，关于石墨烯和氧化石墨烯的超快激光研究已成为当前的研究热点[8-11].激光工作物质也是全固态锁模激光器中重要的元件之一，在众多激光晶体中，Nd∶YVO4晶体拥有低的激光阈值，在808 nm处具有强和宽的吸收谱线，高的吸收系数，在1.06 μm处具有大的受激发射截面，是一种适合用于LD泵浦的高效激光晶体[12-13]. 实验装置本着低成本、概念清晰直观、易于操作的原则，选择了Nd∶YVO4作为工作物质，并采用透射式氧化石墨烯作为饱和吸收体，直接插入谐振腔内，获得了LD端面泵浦Nd∶YVO4晶体的连续波1 064 nm锁模激光运转输出，重复频率为81 MHz，最大平均输出功率为1.23 W，相应的锁模单脉冲能量15.2 nJ. 同时也很方便地观测到了连续锁模激光实现过程中的几种运转变化状态.2 LD泵浦Nd∶YVO4/石墨烯被动锁模激光实验研究实验采用的氧化石墨烯饱和吸收体是通过氧化石墨粉溶解在10 mL的十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液中，用超声波鼓动水溶液让大块的氧化石墨沉淀，用离心机分离溶液，然后将分离后的溶液倒入有亲水性的聚苯乙烯玻璃单元中. 放在40 ℃的烤箱中慢慢蒸发变干，就制备成了透射式氧化石墨烯[11,14].激光谐振腔是激光器的重要组成部分，激光的光束质量主要由谐振腔的性能决定[15]. 谐振腔设计的目的就是寻求一组合理的腔结构参量，使所对应的基模高斯光束与泵浦光、耦合系统以及插入腔内的元件有很好的模式匹配，以实现稳定的连续锁模运转(CWML)，实现超短脉冲激光的输出. 本文基于ABCD矩阵设计优化腔型，将谐振腔设计为W型折叠腔结构. 利用Matlab软件对LD端面泵浦的Nd∶YVO4激光器谐振腔进行了理论设计. 理论计算得知该腔可实现连续锁模，晶体处的基模高斯光束与泵浦光达到了很好地模式匹配，并且在可饱和吸收体处子午面光斑半径和弧矢面光斑半径几乎是重合的，这样好的光斑模式非常有利于实现稳定的连续锁模运转. 同时计算得知，可饱和吸收体应该放置在紧靠输出镜处. 根据U. Keller等人提出的实现连续锁模的条件[16]：则当腔内脉冲能量Ep<Ep,c时，得到调Q锁模激光输出;当Ep>Ep,c时，可以得到连续锁模激光输出. 式中EL,sat和EA,sat分别是增益介质和饱和吸收体的饱和能量,ΔR是饱和吸收体的最大调制深度,Ep,c为临界腔内脉冲能量.被动锁模Nd∶YVO4/SA激光器实验装置如图1所示. 泵浦源是带光纤耦合输出的半导体激光器(LYPE30-SG-WL808-F400型)发射谱线的中心波长为808 nm，最大输出功率为30 W，光纤的数值孔径为0.22，光纤芯径400 μm，激光束经1∶1聚焦耦合系统入射到激光介质上. 激光晶体为Nd∶YVO4晶体，Nd离子的掺杂浓度为0.5%，尺寸为4 mm×4 mm×8 mm，晶体侧面用银箔纸包裹并置于铜制架内，并用循环水冷却. 图1中输入镜M1是平镜，镀有808 nm的高透膜和1 064 nm的高反膜；腔镜M2,M3,M4均是镀有1 064 nm高反膜的反射镜，曲率半径分别为：200 mm，800 mm和500 mm，镀有1 064 nm的高反膜；M5是透过率为5 %的输出平镜. 氧化石墨烯可饱和吸收体(SA)放置在靠近输出镜M5的位置处，以布儒斯特角放置. 用快速光电探测器(New Focus 1611-AC-FSM,上升时间400 ps)和带宽为1 GHz的数字示波器(Tektronix TDS5104,USA)测量激光脉冲信号. 功率测量用以色列制造的OPHIR(30 A-SH-V1)型功率计.图1 Nd∶YVO4/SA激光器实验装置示意图谐振腔设计根据ABCD矩阵定律利用计算机软件对LD端面泵浦的Nd∶YVO4激光器W型谐振腔进行了理论模拟计算，饱和吸收体处的光斑半径大约60 μm, 设置距离L1=150 mm，L2=290 mm，L3=1 100 mm，L4=310 mm；总腔长L=1 850 mm. 各镜间的折角尽可能小，从而减小由折叠产生的像散.实验中先对LD泵浦Nd∶YVO4连续激光谐振腔进行调试，使其输出的连续激光始终保持TEM00模式，并达到最佳工作状态. 然后把氧化石墨烯饱和吸收体插入激光腔内，并靠近输出镜放置，仔细调节使其达到最佳模式匹配，采用激光功率计测量激光输出功率，并通过快速光电探测器在示波器上观察调制情况. 图2给出了平均输出功率随泵浦输入功率的变化，可以看出，随着泵浦功率的增加，锁模激光输出功率线性上升，没有出现饱和现象，振荡泵浦阈值功率约为0.75 W，激光振荡阈值功率为18 mW，最初激光器工作在调Q锁模(QML)阶段，且调制深度随着泵浦功率的增加而加深，从部分调制到100%的调制，当泵浦功率超过4 W时，激光器开始工作在连续锁模状态，当泵浦功率达到4.15 W时，锁模脉冲序列变得稳定,在泵浦功率从4.15 W到9.46 W的变化过程中,通过快速光电探测器，在示波器上一直可以观测到稳定的连续锁模(CWML)脉冲序列波形，当泵浦功率为9.46 W时，最大输出功率达1.23 W，斜率效率为17.0%，光-光转换效率为13%. 处于保护激光晶体和吸收体的考虑，没有继续加大泵浦功率. 若在氧化石墨烯的表面镀上1 064 nm的增透膜，有望实现更高效率或功率的锁模激光运转. 图2 锁模激光平均输出功率随泵浦功率的变化曲线图3是在最大泵浦功率9.46 W下示波器显示的连续锁模序列波形(时间间隔分别是1 μs，200 ns和10 ns)，锁模脉冲重复频率为81 MHz，与公式f=c/(2L)(c为光在真空中的传播速度，L为总腔长)计算值相吻合,锁模的单脉冲能量为15.2 nJ. 锁模脉冲的单脉冲宽度从示波器显示的情况看,在整个锁模形成的泵浦区间里基本没有变化,根据示波器上单个锁模脉冲的显示信息和探测器的上升时间等参量，可以初步估算出锁模脉冲的宽度大约在10 ps量级,更精确的锁模脉冲宽度测量因实验室自相关仪故障未能进行,有待以后的实验研究. 若进一步优化氧化石墨烯的性能和激光谐振腔参量, 脉冲宽度有望达ps量级.(a)1 μs/div(b)200 ns/div(c)10 ns/div图3 示波器显示的锁模脉冲序列图3 结论本文设计实现了低成本、概念清晰直观的被动锁模激光实验，利用透射式氧化石墨烯作可饱和吸收体，直接插入LD泵浦Nd∶YVO4锁模激光谐振腔内，可以直观的观察到激光的各种不同的运转状态，在泵浦功率超过4 W时，得到了稳定的连续锁模激光脉冲输出，锁模的最高功率达1.23 W，锁模脉冲重复频率为81 MHz，单脉冲能量为15.2 nJ，脉冲宽度在10 ps量级，展示了氧化石墨烯作为非线性饱和吸收材料具有的优异性能，有利于实现高功率、长时间稳定的锁模运转. 随着石墨烯材料制备手段的逐步完善，成本逐步降低，大规模应用将逐步成为现实，在不久的将来，石墨烯极为有可能替代传统的半导体可饱和吸收体而成为应用广泛的饱和吸收调制器件. 另外，石墨烯不仅可以应用于超快脉冲激光的产生，同时在光纤孤子通信、光开关等诸多现代光电器件中也是极有应用前景的多功能光电材料.【相关文献】[1] Yamane K, Zhang Z G, Oka K, et al. 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基于石墨烯可饱和吸收的锁模光纤激光器研究陈恺;祝连庆;姚齐峰;骆飞【摘要】An all-polarization-maintaining erbium-doped Q-switched mode-locked fiber laser by graphene saturable absorber mirror was reported.The characteristics of Q-switched mode-locked laser with monolayer graphene as saturable absorber were studied,and the laser output was obtained at the center wavelength of 1557.69 nm.Repetition rate of Q-switched envelope varied from 11.49 to 40.41 kHz,and the width of Q-switched envelope varied from 10.1 to 3.62 μs.When the inciden t pump power is 191.3 mW,the maximum average output power of the laser is 9.354 mW and the maximum light-light conversion efficiency is 4.89 ％.%报道了一种基于单层石墨烯可饱和吸收体调Q锁模的全保偏结构掺铒光纤激光器.研究了单层石墨烯作为可饱和吸收体实现调Q锁模后的激光特征,获得了中心波长1557.69 nm 的激光输出.调Q锁模脉冲包络重复频率11.49 ～ 40.41 kHz范围变化,包络宽度在10.1 ～3.62 μs范围变化.在泵浦功率为191.3 mW时,激光器最大输出平均功率9.354 mW,最大光-光转换效率为4.89％.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2017(047)003【总页数】5页(P291-295)【关键词】调Q锁模光纤激光器;全保偏光纤结构;石墨烯饱和吸收镜【作者】陈恺;祝连庆;姚齐峰;骆飞【作者单位】北京信息科技大学光电信息与仪器北京市工程研究中心,光电测试技术北京市重点实验室,北京100016;北京信息科技大学光电信息与仪器北京市工程研究中心,光电测试技术北京市重点实验室,北京100016;北京信息科技大学生物医学检测技术及仪器北京实验室,北京100192;北京信息科技大学光电信息与仪器北京市工程研究中心,光电测试技术北京市重点实验室,北京100016;北京信息科技大学光电信息与仪器北京市工程研究中心,光电测试技术北京市重点实验室,北京100016【正文语种】中文【中图分类】TN248脉冲光纤激光器具有结构紧凑、体积小、泵浦效率高、光束质量好等优势,广泛应用在加工、通讯、医疗等领域。
基于光纤锁模技术的超短脉冲研究在精细加工、光纤传感、精密光学测量等领域潜力巨大。
目前所报道的主要锁模光纤激光技术包括非线性偏振旋转(NPR)锁模[1]、非线性光纤环镜(NOLM)锁模[2]、半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模[3-5]以及单壁碳纳米管(SWNT)锁模[6-7]等。
石墨烯自2004年问世以来[8],以其独特的非线性光学特性获得越来越多的关注。
其独特的线性能带结构,可使其在很宽的光谱范围(300～3000 nm)实现非线性可饱和吸收[9-15]；另外,石墨烯还具有较高的调制深度、高的损伤阈值、超快的恢复时间[16-17],价格低廉、易于制作等优点。
因此,基于石墨烯的被动锁模技术已经成为脉冲光纤激光器的研究热点。
锁模状态分为2类,即连续波锁模状态和调Q锁模状态。
在某些应用中,要求连续的脉冲能量和高重复频率,这时需要连续锁模光纤激光器,而调Q锁模状态具有更高的峰值功率和渐增的脉冲能量,在非线性频率转换、微结构加工和激光医疗上有更多的应用。
2009年,南洋理工大学Bao等[18]首次以石墨烯作为可饱和吸收体实现了脉冲宽度为756 fs,重复频率为1.79 MHz,中心波长为1565 nm的掺铒锁模光纤激光输出。
2013年,南开大学Sheng等[19]采用石墨烯配合微纳光纤通过调节腔内偏振态,实现了1.5 μm调Q锁模和连续锁模切换的掺铒光纤激光器。
2015年,南开大学杨光[20]等通过拉锥光纤上附着石墨烯实现了2 μm波段调Q锁模脉冲输出。
但是这些石墨烯饱和吸收体被动锁模光纤激光器容易受诸如显著温度变化和机械扰动这类环境的变化的影响,致使锁模激光器稳定性降低。
全保偏光纤谐振腔是解决以上问题的最佳途径之一。
其具有:(1)可避免环境中外力(压力、弯曲等)引起的光纤双折射变化造成锁模激光不稳定[21]；(2)可保持激光以单一线偏振方向沿保偏光纤慢轴在腔内传输,更易实现锁模脉冲自启动；(3)可减少偏振控制器等元件的使用,降低腔内损耗等优势。
本文实现了一种基于反射式石墨烯可饱和吸收镜调Q锁模的全保偏掺铒光纤激光器。
获得中心波长1557.69 nm,最大重复频率40.41 kHz,最小脉冲宽度3.62 μs 的单一偏振态的调Q锁模激光输出。
并对实验结果及现象进行了分析和讨论。
实验装置主要由1 m熊猫型保偏掺铒光纤,一个980/1550保偏波分复用器,石墨烯可饱和吸收镜,一个30%输出保偏耦合器和一个保偏环形器组成,如图1所示。
装置中的保偏光纤和保偏器件均由Fujikura光纤熔接机(FSM-100)沿慢轴精确对准熔接。
该激光器是由带单模尾纤输出的976 nm激光二极管(laser diode,LD)进行反向泵浦。
所用的保偏掺铒光纤(Nufern公司,PM-ESF-7/125)在976 nm处的吸收系数约为24 dB/m,在1550 nm波长处具有约-0.02 ps2/m的群速度色散(group velocity dispersion,GVD)。
保偏环形器因具有较高的隔离度(～50dB),可以实现激光在腔内的单向传输,并可把石墨烯可饱和吸收镜有效接入到谐振腔内。
本文采用的环形器端口2是由一个直径约2 mm,长度约4 mm ,输出端具有8°倾角的短棒形光纤组成,耦合效率高,对1550 nm近准直输出。
总腔长约为6.5 m,总群速度色散约为-0.13 ps2。
实验中使用的石墨烯制备方法如下:首先,通过化学气相沉积(chemical vapordeposition,CVD)法沉积在铜箔载片上,然后使用低温转移方法,利用PMMA高分子溶液逐层转移到保护金反射镜上,使石墨烯与反射镜充分接触,避免产生气泡,最后利用丙酮将PMMA溶解去除。
采用此方法可得到高质量的单层石墨烯饱和吸收镜。
实验中用于测量调Q锁模激光输出特征的设备有:光谱分析仪(YokogawaAQ6375,分辨率 0.05 nm)、偏振消光比测试仪(PEM-330)、光电探测器(ThorLabs,5 GHz 带宽),示波器(LeCroy 610 Zi 1 Ghz 带宽),分别用于测量脉冲激光的光谱、偏振消光比、脉冲序列等。
当泵浦功率升至69.6 mW时,调节单层石墨烯饱和吸收镜,可以直接获得稳定的调Q锁模脉冲序列。
图2(a)为数字示波器测得的调Q锁模脉冲序列。
此时脉冲调Q包络的重复频率为11.45 kHz,包络半高宽为10.1 μs。
通过调节示波器的显示范围,可观察到隐藏在调Q脉冲包络中的锁模子脉冲,如图2(b)所示。
锁模子脉冲的脉冲间隔为32.10 ns,重复频率为31.15 MHz,与腔长符合,且为基频。
调Q锁模脉冲的光谱,如图3所示。
中心波长为1557.69 nm,3dB光谱宽度为0.07 nm。
同时,通过消光比测试仪研究了输出激光的偏振度。
结果发现,输出脉冲激光的偏振消光比大于18.0 dB,具有很高的偏振度。
随着泵浦功率从69.6 mW增加到191.3 mW,激光器输出保持在调Q锁模状态,激光器的输出功率从0.895 mW增加到9.354 mW。
脉冲的调Q包络重复频率逐渐增加,包络宽度逐渐减小且锁模脉冲逐渐填满调Q包络,如图4所示。
图5所示为调Q锁模脉冲包络重复频率与脉冲宽度随泵浦功率变化曲线。
可以观察到随着泵浦功率从69.6 mW增加到191.3 mW,调Q包络的重复频率从11.45 kHz增加到40.41 kHz,包络变化符合调Q脉冲变化趋势,而子脉冲间隔不变。
包络脉冲宽度在泵浦功率69.6 mW时为10.10 μs,在泵浦功率134.1 mW时达到最低3.62 μs。
随后继续增大泵浦功率,随着腔内功率密度的增大,石墨烯表面温度上升,热激发的电子空穴浓度增加,改变了石墨烯的电导率。
由于石墨烯具有单层原子厚度,因此其电导率可以基本等效为其表面电导率。
由Kubo公式可以得到石墨烯的电导率[22]为:其中,e为电子电荷,h=h/2π为约化普朗克常数,fd(ε)=(e(ε-μc)/kBT+1)-1 为费米-狄克拉分布函数,kB为波尔兹曼常数。
在式(1)中的第一部分对应带内的电子-光子散射过程,第二部分表示带间电导率,由于在红外和近红外的光谱范围内,带间吸收主导着石墨烯的光吸收。
因此,我们只考虑带间电导率:式(2)由随机相位近似方法(the random-phase approximation,RPA)[23]计算得出:其中,T为温度;ω为光源频率;Ef为费米能级。
式(3)中随着T增大,导致带间电导率降低。
带间电导率的降低,石墨烯对弱光的损耗降低,导致石墨烯的调制深度降低。
因调Q锁模脉冲包络符合调Q脉冲特征,根据Haohai Yu等人[24]对基于可饱和吸收体的被动调Q光纤激光器所作的研究,理论上给出了输出脉冲的宽度由可饱和吸收体的调制深度和脉冲在谐振腔内传播一周的时间决定:其中,τ为脉冲宽度;TR为脉冲在腔内走完一圈所需要的时间;ΔT为调制深度。
由此可见理论脉冲宽度与调制深度成反比。
所以当泵浦功率在140～191.3 mW时,随泵浦功率的提高,调Q锁模脉冲包络的宽度反而逐渐变宽。
当泵浦功率较低时,腔内能量较低,石墨烯的饱和吸收效应弱,此时的转化效率较低,只有1.29%；随着泵浦功率的提高,腔内能量增高,石墨烯饱和吸收效应增强,转化效率逐步增强。
超过140 mW后,逐渐趋于饱和,在191.3 mW的泵浦功率时,达到4.89%。
图6所示为激光器光光效率随泵浦功率变化。
本文研究了基于单层石墨烯反射式可饱和吸收镜调Q锁模的全保偏掺铒光纤激光器。
采用单层石墨烯可饱和吸收镜,实现了中心波长为1557.69 nm的调Q锁模激光输出,在泵浦功率69.6 mW 时激光器产生稳定的调Q锁模现象,激光器的输出功率为0.895 mW,转化效率为1.29%。