程 晨，魏加峰，劉博文，張建友，劉 杰

(山東師范大學 物理與電子科學學院，山東 濟南 250014)

1 引 言

超短脈沖激光在光纖通信、超精細微加工、醫(yī)學、非線性光學應用等領域有廣泛應用前景[1-2]. 近年來，半導體二極管激光(LD)泵浦的全固態(tài)超快激光器向?qū)嵱没l(fā)展，獲得超短脈沖激光的主要方法是利用被動鎖模技術及半導體可飽和吸收材料的非線性吸收特性來實現(xiàn)，但傳統(tǒng)的半導體飽和吸收鏡(SESAMs)因受到材料能隙寬度的限制，對工作波長要求苛刻，制作工藝復雜，價格昂貴，人們一直在尋找一種既有SESAMs的優(yōu)點又具有寬吸收帶和寬帶可調(diào)制的優(yōu)秀飽和吸收體. 自2002年對碳納米材料光學開關特性的研究揭示了該種材料的超快(亞ps)激子衰減時間以來，有關碳納米管、石墨烯的非線性光學特性及鎖模應用研究在世界范圍內(nèi)迅速展開，但碳納米管的管狀形態(tài)會產(chǎn)生較大的散射損耗,提高了鎖模閾值,限制了激光輸出功率和效率. 相比之下，石墨烯類吸收體具有飽和強度低、恢復時間短、散射損耗小、損傷閾值高、光譜寬度大等優(yōu)點[3-6]，相對于傳統(tǒng)的SESAM等飽和吸收體,它們不需要能帶工程設計和材料選擇,制備成本低，尤其是氧化石墨烯材料通常可以采用化學合成的方法來制備，制作成本更低，生產(chǎn)速率較高. 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，很適合做飽和吸收體[7]. 這給超快激光的研究提供了一個新的機遇，關于石墨烯和氧化石墨烯的超快激光研究已成為當前的研究熱點[8-11].

激光工作物質(zhì)也是全固態(tài)鎖模激光器中重要的元件之一，在眾多激光晶體中，Nd∶YVO4晶體擁有低的激光閾值，在808 nm處具有強和寬的吸收譜線，高的吸收系數(shù)，在1.06 μm處具有大的受激發(fā)射截面，是一種適合用于LD泵浦的高效激光晶體[12-13]. 實驗裝置本著低成本、概念清晰直觀、易于操作的原則，選擇了Nd∶YVO4作為工作物質(zhì)，并采用透射式氧化石墨烯作為飽和吸收體，直接插入諧振腔內(nèi)，獲得了LD端面泵浦Nd∶YVO4晶體的連續(xù)波1 064 nm鎖模激光運轉(zhuǎn)輸出，重復頻率為81 MHz，最大平均輸出功率為1.23 W，相應的鎖模單脈沖能量15.2 nJ. 同時也很方便地觀測到了連續(xù)鎖模激光實現(xiàn)過程中的幾種運轉(zhuǎn)變化狀態(tài).

2 LD泵浦Nd∶YVO4/石墨烯被動鎖模激光實驗研究

實驗采用的氧化石墨烯飽和吸收體是通過氧化石墨粉溶解在10 mL的十二烷基硫酸鈉(SDS)水溶液中，用超聲波鼓動水溶液讓大塊的氧化石墨沉淀，用離心機分離溶液，然后將分離后的溶液倒入有親水性的聚苯乙烯玻璃單元中. 放在40 ℃的烤箱中慢慢蒸發(fā)變干，就制備成了透射式氧化石墨烯[11,14].

激光諧振腔是激光器的重要組成部分，激光的光束質(zhì)量主要由諧振腔的性能決定[15]. 諧振腔設計的目的就是尋求一組合理的腔結構參量，使所對應的基模高斯光束與泵浦光、耦合系統(tǒng)以及插入腔內(nèi)的元件有很好的模式匹配，以實現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)鎖模運轉(zhuǎn)(CWML)，實現(xiàn)超短脈沖激光的輸出. 本文基于ABCD矩陣設計優(yōu)化腔型，將諧振腔設計為W型折疊腔結構. 利用Matlab軟件對LD端面泵浦的Nd∶YVO4激光器諧振腔進行了理論設計. 理論計算得知該腔可實現(xiàn)連續(xù)鎖模，晶體處的基模高斯光束與泵浦光達到了很好地模式匹配，并且在可飽和吸收體處子午面光斑半徑和弧矢面光斑半徑幾乎是重合的，這樣好的光斑模式非常有利于實現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)鎖模運轉(zhuǎn). 同時計算得知，可飽和吸收體應該放置在緊靠輸出鏡處. 根據(jù)U. Keller等人提出的實現(xiàn)連續(xù)鎖模的條件[16]：

則當腔內(nèi)脈沖能量EpEp,c時，可以得到連續(xù)鎖模激光輸出. 式中EL,sat和EA,sat分別是增益介質(zhì)和飽和吸收體的飽和能量,ΔR是飽和吸收體的最大調(diào)制深度,Ep,c為臨界腔內(nèi)脈沖能量.

被動鎖模Nd∶YVO4/SA激光器實驗裝置如圖1所示. 泵浦源是帶光纖耦合輸出的半導體激光器(LYPE30-SG-WL808-F400型)發(fā)射譜線的中心波長為808 nm，最大輸出功率為30 W，光纖的數(shù)值孔徑為0.22，光纖芯徑400 μm，激光束經(jīng)1∶1聚焦耦合系統(tǒng)入射到激光介質(zhì)上. 激光晶體為Nd∶YVO4晶體，Nd離子的摻雜濃度為0.5%，尺寸為4 mm×4 mm×8 mm，晶體側(cè)面用銀箔紙包裹并置于銅制架內(nèi)，并用循環(huán)水冷卻. 圖1中輸入鏡M1是平鏡，鍍有808 nm的高透膜和1 064 nm的高反膜；腔鏡M2,M3,M4均是鍍有1 064 nm高反膜的反射鏡，曲率半徑分別為：200 mm，800 mm和500 mm，鍍有1 064 nm的高反膜；M5是透過率為5 %的輸出平鏡. 氧化石墨烯可飽和吸收體(SA)放置在靠近輸出鏡M5的位置處，以布儒斯特角放置. 用快速光電探測器(New Focus 1611-AC-FSM,上升時間400 ps)和帶寬為1 GHz的數(shù)字示波器(Tektronix TDS5104,USA)測量激光脈沖信號. 功率測量用以色列制造的OPHIR(30 A-SH-V1)型功率計.

圖1 Nd∶YVO4/SA激光器實驗裝置示意圖

諧振腔設計根據(jù)ABCD矩陣定律利用計算機軟件對LD端面泵浦的Nd∶YVO4激光器W型諧振腔進行了理論模擬計算，飽和吸收體處的光斑半徑大約60 μm, 設置距離L1=150 mm，L2=290 mm，L3=1 100 mm，L4=310 mm；總腔長L=1 850 mm. 各鏡間的折角盡可能小，從而減小由折疊產(chǎn)生的像散.

實驗中先對LD泵浦Nd∶YVO4連續(xù)激光諧振腔進行調(diào)試，使其輸出的連續(xù)激光始終保持TEM00模式，并達到最佳工作狀態(tài). 然后把氧化石墨烯飽和吸收體插入激光腔內(nèi)，并靠近輸出鏡放置，仔細調(diào)節(jié)使其達到最佳模式匹配，采用激光功率計測量激光輸出功率，并通過快速光電探測器在示波器上觀察調(diào)制情況. 圖2給出了平均輸出功率隨泵浦輸入功率的變化，可以看出，隨著泵浦功率的增加，鎖模激光輸出功率線性上升，沒有出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，振蕩泵浦閾值功率約為0.75 W，激光振蕩閾值功率為18 mW，最初激光器工作在調(diào)Q鎖模(QML)階段，且調(diào)制深度隨著泵浦功率的增加而加深，從部分調(diào)制到100%的調(diào)制，當泵浦功率超過4 W時，激光器開始工作在連續(xù)鎖模狀態(tài)，當泵浦功率達到4.15 W時，鎖模脈沖序列變得穩(wěn)定,在泵浦功率從4.15 W到9.46 W的變化過程中,通過快速光電探測器，在示波器上一直可以觀測到穩(wěn)定的連續(xù)鎖模(CWML)脈沖序列波形，當泵浦功率為9.46 W時，最大輸出功率達1.23 W，斜率效率為17.0%，光-光轉(zhuǎn)換效率為13%. 處于保護激光晶體和吸收體的考慮，沒有繼續(xù)加大泵浦功率. 若在氧化石墨烯的表面鍍上1 064 nm的增透膜，有望實現(xiàn)更高效率或功率的鎖模激光運轉(zhuǎn).

圖2 鎖模激光平均輸出功率隨泵浦功率的變化曲線

圖3是在最大泵浦功率9.46 W下示波器顯示的連續(xù)鎖模序列波形(時間間隔分別是1 μs，200 ns和10 ns)，鎖模脈沖重復頻率為81 MHz，與公式f=c/(2L)(c為光在真空中的傳播速度，L為總腔長)計算值相吻合,鎖模的單脈沖能量為15.2 nJ. 鎖模脈沖的單脈沖寬度從示波器顯示的情況看,在整個鎖模形成的泵浦區(qū)間里基本沒有變化,根據(jù)示波器上單個鎖模脈沖的顯示信息和探測器的上升時間等參量，可以初步估算出鎖模脈沖的寬度大約在10 ps量級,更精確的鎖模脈沖寬度測量因?qū)嶒炇易韵嚓P儀故障未能進行,有待以后的實驗研究. 若進一步優(yōu)化氧化石墨烯的性能和激光諧振腔參量, 脈沖寬度有望達ps量級.

(a)1 μs/div

(b)200 ns/div

(c)10 ns/div圖3 示波器顯示的鎖模脈沖序列圖

3 結 論

本文設計實現(xiàn)了低成本、概念清晰直觀的被動鎖模激光實驗，利用透射式氧化石墨烯作可飽和吸收體，直接插入LD泵浦Nd∶YVO4鎖模激光諧振腔內(nèi)，可以直觀的觀察到激光的各種不同的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，在泵浦功率超過4 W時，得到了穩(wěn)定的連續(xù)鎖模激光脈沖輸出，鎖模的最高功率達1.23 W，鎖模脈沖重復頻率為81 MHz，單脈沖能量為15.2 nJ，脈沖寬度在10 ps量級，展示了氧化石墨烯作為非線性飽和吸收材料具有的優(yōu)異性能，有利于實現(xiàn)高功率、長時間穩(wěn)定的鎖模運轉(zhuǎn). 隨著石墨烯材料制備手段的逐步完善，成本逐步降低，大規(guī)模應用將逐步成為現(xiàn)實，在不久的將來，石墨烯極為有可能替代傳統(tǒng)的半導體可飽和吸收體而成為應用廣泛的飽和吸收調(diào)制器件. 另外，石墨烯不僅可以應用于超快脈沖激光的產(chǎn)生，同時在光纖孤子通信、光開關等諸多現(xiàn)代光電器件中也是極有應用前景的多功能光電材料.

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