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        基于金納米棒可飽和吸收體的Nd:YSAG被動調(diào)Q激光器

        2017-03-09 02:01:02張倩倩劉倩慧安珍妮李健
        山東科學(xué) 2017年1期
        關(guān)鍵詞:吸收體激光器納米材料

        張倩倩, 劉倩慧,安珍妮,李健

        (山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,山東省光學(xué)與光子器件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250014)

        基于金納米棒可飽和吸收體的Nd:YSAG被動調(diào)Q激光器

        張倩倩, 劉倩慧,安珍妮,李健*

        (山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,山東省光學(xué)與光子器件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250014)

        以新型金納米材料為可飽和吸收體,研究了LD端面泵浦的Nd:YSAG被動調(diào)Q激光器的激光輸出特性。實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)整金納米棒的長徑比等參數(shù),成功地將金納米棒材料由表面等離子體共振引起的非線性吸收峰調(diào)控到Nd:YSAG激光的輸出波長1 062nm處,并成功獲得了穩(wěn)定的被動調(diào)Q激光輸出,在泵浦功率為4.9W時,激光器的平均輸出功率為14mW, 此時,激光脈沖寬度為944.1ns,重復(fù)頻率100.1kHz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,金納米材料在脈沖激光領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

        Nd:YSAG; 金納米棒;被動調(diào)Q

        Electronics,ShandongNormalUniversity,Jinan250014,China)

        全固態(tài)激光器因其結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長和光束質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)加工領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、國防領(lǐng)域等方面得到了廣泛的應(yīng)用。作為固態(tài)激光器的一個重要組成部分,調(diào)Q激光器因結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn),一直以來都受到激光器研究人員的青睞。自調(diào)Q技術(shù)首次提出并被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以來,不同的課題組分別提出多種調(diào)Q方法,固體調(diào)Q激光器正向著大功率、高峰值功率、超短脈沖寬度等目標(biāo)不斷地發(fā)展進(jìn)步。不同技術(shù)及實(shí)驗(yàn)手段的革新,推動了固體激光器調(diào)Q技術(shù)的一次次突破性的進(jìn)展。其中,被動調(diào)Q激光器無需外加的電子調(diào)Q開關(guān)器件,只需在激光諧振腔內(nèi)放置可飽和吸收體,利用其對特定光的飽和吸收效應(yīng)即可實(shí)現(xiàn)特定光的脈沖激光輸出。

        作為被動調(diào)Q激光的重要組成部分,可飽和吸收體的發(fā)展一直受到研究者的重視。理想的可飽和吸收體應(yīng)該具備超快的響應(yīng)時間、較寬的吸收帶寬、較大的三階非線性系數(shù)以及較低的制備成本等特點(diǎn)。起初,在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用較為廣泛的有染料、色心材料、摻Cr4+的晶體等等。隨后,半導(dǎo)體可飽和吸收鏡、碳納米管、石墨烯又被應(yīng)用到被動調(diào)Q技術(shù)中[1-4]。近幾年,貴金屬材料因其具有較大的三階非線性和皮秒級的反應(yīng)時間,已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,比如超快通訊、光學(xué)信息處理、全光學(xué)開關(guān)、光數(shù)據(jù)存儲器以及光限幅等[5-8]。金納米粒子由于其在光動力治療、生物傳感、超高分辨率成像等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,而受到研究者的關(guān)注,這些應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)主要依賴于金納米顆粒優(yōu)越的物理性能,這種性能主要來源于其表面等離子體共振(SPR)[9-12]。

        本文中,我們采用的是一種新的飽和吸收體——金納米棒。金納米材料由于其自身特有的光學(xué)性質(zhì),已經(jīng)在生物醫(yī)療領(lǐng)域、信息存儲領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。在光學(xué)領(lǐng)域,通過研究我們發(fā)現(xiàn)隨著金納米棒長徑比的改變,其表面等離激元共振峰的位置也會發(fā)生改變,因此,它具有可調(diào)諧的吸收峰,這使得,基于金納米棒可飽和吸收體的被動調(diào)Q激光器有望覆蓋可見波段到紅外波段。2012年Jiang等[13],以摻有羧甲基纖維素鈉的長徑比為6.8的金納米棒薄膜為飽和吸收體,以摻鉺光纖為增益介質(zhì),研制出脈沖寬度9.6μs,重復(fù)頻率為22.9kHz的調(diào)Q激光器。2013年Kang等[14]以長徑比為4.5的金納米棒薄膜為可飽和吸收體,以摻鐿石英光纖為增益介質(zhì),研制出波長為1 039nm的鎖模光纖激光器,其脈沖寬度為440ps,重復(fù)頻率為36.6MHz,平均功率為1.25mW。并換用長徑比為5的金納米棒薄膜,研制出波長為1 982nm的鎖模光纖激光器,脈沖寬度為4.02ps,重復(fù)頻率為37.49MHz,平均功率為6mW。2015年Huang等[15]通過將聲光調(diào)Q與金納米棒被動調(diào)Q相結(jié)合的方式,以Nd:YAG為增益介質(zhì),產(chǎn)生了脈沖寬度為120ns,重復(fù)頻率為5kHz的脈沖激光。在本文中,我們采用金納米棒為飽和吸收體,以Nd:YSAG晶體為增益介質(zhì),實(shí)現(xiàn)了被動調(diào)Q脈沖輸出。

        1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

        現(xiàn)在,制備金納米棒的方法有反應(yīng)性模板晶粒生長法、電化學(xué)增長法、光化學(xué)生長法和種子生長法等[16-21]。本文中用到的金納米材料采用的是種子生長法制備,此外,由于金納米顆粒的飽和吸收性由其SPR決定,金納米棒的飽和磁化強(qiáng)度也取決于納米棒的激發(fā)波長、形狀和尺寸等[22-24]。實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)控種子生長的時間等因素,從而控制金納米棒的長徑比等參數(shù)而成功將金納米材料的SPR吸收峰調(diào)控到1 062nm處。

        圖1a為金納米棒的透射電鏡(transmissionelectronmicroscope,TEM)圖,通過TEM圖片可以看出金納米棒的分布較為均勻,樣品呈現(xiàn)出規(guī)則的棒狀,長度約65nm,直徑約9nm,長徑比約為6.75。圖1b是長徑比為6.75的金納米棒的吸收譜。從吸收譜線可以看出,該金納米棒在518nm波長附近存在一個橫向表面等離子激元共振吸收峰,在1 062nm波長附近存在一個縱向表面等離子激元共振吸收峰。因此,用該金納米材料做可飽和吸收體而實(shí)現(xiàn)Nd:YSAG的被動激光輸出是合適的。

        實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。采用輸出波長為808nm的LD作為泵浦源,泵浦源輸出功率是30W, 數(shù)值孔徑為0.22 芯徑 800μm。經(jīng)過耦合透鏡組準(zhǔn)直聚焦后,端面抽運(yùn)Nd:YSAG晶體。晶體尺寸為4mm×4mm×8mm,Nd3+摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%(沒有鍍膜)。實(shí)驗(yàn)中對Nd:YSAG晶體采用水冷降溫。本實(shí)驗(yàn)的諧振腔采用超短的平-凹腔結(jié)構(gòu),腔長為2.3cm。其中,M1是半徑為2 000mm的凹面鏡,左側(cè)S1面鍍有808nm的增透膜,右側(cè)S2面鍍有1 020nm~1 300nm的高反膜和808nm的增透膜。M2是對波長為1 064nm激光的透過率為10%的平鏡。本實(shí)驗(yàn)被動調(diào)Q所采用的飽和吸收體是金納米棒薄膜,將帶有金納米棒薄膜的玻璃片緊貼輸出鏡放置。輸出的光用ET-3000接收,輸入到型號為“TDS5104 1G5GS”的示波器中,觀察脈沖波形,并用功率計測量激光功率。

        圖1 金納米棒可飽和吸收薄膜的TEM圖和相應(yīng)的吸收光譜Fig.1 TEM image and the absorption spectrum of the Au Nano-rod SA.

        圖2 Nd:YSAG激光器的實(shí)驗(yàn)裝置圖。Fig.2 Experimental setup of the Nd:YSAG laser

        2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

        圖3是Nd:YSAG激光器的輸出激光光譜,通過光譜分析儀器得到的數(shù)據(jù)可以看出,在808nm泵浦下,得到1 062nm的激光輸出。由于諧振腔對其他躍遷波長的高損耗設(shè)計,實(shí)驗(yàn)中沒有發(fā)現(xiàn)其他波長的激光躍遷出現(xiàn)。

        圖3 Nd:YSAG激光器的輸出激光光譜Fig.3 The output spectrum of the Nd:YSAG laser

        當(dāng)腔內(nèi)未加入金納米棒飽和吸收體時,我們研究了在808nm泵浦下產(chǎn)生的1 062nm連續(xù)光的輸出特性,如圖4所示。圖4反應(yīng)了隨著輸入功率的增加,輸出功率和光-光轉(zhuǎn)化率的變化情況,該激光器的閾值功率為2.2W。隨著輸入功率的增加,輸出功率呈線性增加。最大輸出功率為3.32W,此時相應(yīng)的光-光轉(zhuǎn)化率為25.54%。由于實(shí)驗(yàn)中所用到的Nd:YSAG晶體并沒有鍍膜,后期的實(shí)驗(yàn)中如果對晶體鍍1 062nm的高透膜,相信可以獲得更高的激光功率輸出和更高的光-光轉(zhuǎn)換效率。為了保護(hù)激光晶體,實(shí)驗(yàn)中最大的泵浦功率為13W,但是此時由圖4可以看出激光的輸出功率并沒有達(dá)到飽和狀態(tài),如果增加泵浦功率,應(yīng)該可以得到更大的輸出功率。

        圖4 連續(xù)光的輸出功率和光-光轉(zhuǎn)換效率Fig.4 Output power and conversion efficiency versus the pumping power.

        將金納米棒薄膜緊貼輸出鏡插入諧振腔內(nèi),當(dāng)輸入功率達(dá)到4.9W時產(chǎn)生了穩(wěn)定的調(diào)Q脈沖串,如圖5所示,脈沖功率為14mW。從圖5中可以看出,此時所產(chǎn)生的脈沖的重復(fù)頻率是100.1kHz,相應(yīng)的單脈沖寬度為944.1ns。此時的單脈沖能量為1.4×10-4mJ,峰值功率為0.14W。當(dāng)輸入功率增加時,可以發(fā)現(xiàn)脈沖串的脈寬變窄,重復(fù)頻率變大。但當(dāng)輸出功率超過5.8W時便不再有脈沖串出現(xiàn),此時由于功率過高,金納米材料出現(xiàn)熱凝聚現(xiàn)象而使得飽和吸收特性降低,進(jìn)而使金納米棒薄膜不能正常工作。所以保證金納米材料的穩(wěn)定性是以后研究的重要課題。

        圖5 泵浦功率為4.9 W時的脈沖串和單脈沖圖Fig.5 A typical pulse train achieved from Q-switched operation at a pulse repetition rate of 101.1 kHz with pump power of 4.9 W.

        3 總結(jié)

        本文研究了基于新型金納米材料的Nd:YSAG被動調(diào)Q激光器的輸出特性,實(shí)驗(yàn)中得到了穩(wěn)定的調(diào)Q激光輸出。獲得的最大的輸出功率為14mW,此時的最小脈沖寬度為944.1ns,實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了金納米材料做為可飽和吸收體而獲得脈沖激光的可行性。后期的實(shí)驗(yàn)中,將對激光器輸出功率的提升及金納米材料的穩(wěn)定性等方面進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和理論研究。

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        Nd:YSAGpassivelyQ-switchedlaserusingAuNano-rodassaturableabsorber

        ZHANGQian-qian,LIUQian-hui,ANZhen-ni,LIJian*

        (ShandongProvincialKeyLaboratoryofOpticsandPhotonicDevice,SchoolofPhysicsand

        ∶Inthispaper,basedonAuNano-rodsaturableabsorber(SA),lasercharacteristicsofLDend-pumpedpassivelyQ-switchedNd:YASGlaserweredemonstrated.Bycontrollingthelength-diameterratiooftheNano-rod,thelongitudinalsurfaceplasmonresonance(SPR)absorptionpeakwaslocatedat1 062nm.Therefore,passivelyQ-switchingcouldbeachievedbyusingthem.Furthermore,stablepassiveQ-switchedpulseswithanaverageoutputpowerof14mWwasobtainedatthepumppowerof4.9W.Theminimumpulsewidthof944.1nswasachievedatthepulserepetitionrateof100.1kHz.TheexperimentalresultsprovethatAuNano-rodisapromisingSAforsolid-statelasers.

        ∶Nd:YSAGcrystal;AuNano-rod;passivelyQ-switched

        10.3976/j.issn.1002-4026.2017.01.018

        2016-09-06

        國家自然科學(xué)基金(61205174)

        張倩倩(1991—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)槿虘B(tài)激光器件。E-mail:794791256@qq.com

        *通信作者,李健(1963—),男,教授,研究方向?yàn)槿虘B(tài)激光器件與非線性光學(xué)。E-mail:lijian@sdnu.edu.cn

        TN

        A

        1002-4026(2017)02-0109-06

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