張 剛, 焦志勇, 劉 鵬, 賈玉磊

(中國石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院, 山東 青島 266580)

提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力一直是教學(xué)改革的重要方向,設(shè)計(jì)結(jié)合學(xué)科前沿的研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,有助于學(xué)生將所學(xué)理論知識應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)過程,實(shí)現(xiàn)理論水平與實(shí)踐能力同步提升[1-4]。

激光類課程是光電專業(yè)核心課程,但其理論知識較為抽象、枯燥。在教學(xué)實(shí)踐過程中,學(xué)生普遍反映對激光器內(nèi)部構(gòu)造的認(rèn)識較為模糊,理解其實(shí)現(xiàn)原理較困難。因此,本文將科研平臺運(yùn)用到本科生教學(xué),學(xué)生獨(dú)立完成激光器搭建、數(shù)據(jù)分析等活動,對鞏固理論教學(xué)成果,鍛煉動手能力,培養(yǎng)創(chuàng)新意識至關(guān)重要[5-8]。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)

由于寬帶飽和吸收特性和顯著的非線性光學(xué)性質(zhì),越來越多的二維材料被用在全固態(tài)脈沖激光器中[9-11]。以二硫化鉬為例,因其飽和強(qiáng)度低、調(diào)制深度大和損傷閾值高等優(yōu)點(diǎn)，有助于在學(xué)生實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用,利于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的激光脈沖輸出[12-13]。學(xué)生完成二維材料可飽和吸收體制作過程,可以讓學(xué)生獲得材料的相關(guān)知識,加深對理論知識的理解,提升實(shí)驗(yàn)操作能力。

激光器調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)是光電專業(yè)常設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,但具體實(shí)踐中,常常是成熟激光器的簡單復(fù)原,內(nèi)容固化。如果將新型材料應(yīng)用于激光器,通過調(diào)節(jié)諧振腔以及優(yōu)化可飽和吸收體性質(zhì)實(shí)現(xiàn)激光脈沖的最佳輸出,將有利于學(xué)生獨(dú)立思考,鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維,提升學(xué)生創(chuàng)新能力。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,將二硫化鉬可飽和吸收體的制作和調(diào)Q鎖模激光器調(diào)諧有機(jī)結(jié)合。可飽和吸收體制作工藝影響激光器輸出參數(shù),激光器輸出特性指導(dǎo)二硫化鉬可飽和吸收體制作,兩者相輔相成。實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生利用“激光原理與技術(shù)”及“半導(dǎo)體物理與器件”等課程所學(xué)內(nèi)容,獨(dú)立完成各項(xiàng)操作,實(shí)現(xiàn)調(diào)Q鎖模激光脈沖輸出特性的優(yōu)化,提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 可飽和吸收體制做實(shí)驗(yàn)

激光器性能的研究離不開高性能的材料,材料制備是光電專業(yè)學(xué)生需要應(yīng)該具備的技能之一。因此,本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生首先完成二硫化鉬可飽和吸收體的制作。

目前可飽和吸收體的制作方法主要有化學(xué)氣相沉積法(CVD)、分子束外延生長法(MBE)以及液相剝離法等方法[14-16]?？紤]時間成本以及操作的難度,本實(shí)驗(yàn)采用液相剝離方法。該方法步驟：第一步,將10 mg二硫化鉬粉末溶解在10 mL去離子水中,可選擇多配幾組；第二步,利用超聲清洗機(jī)分離大顆粒,超聲處理10 min,獲得二硫化鉬懸浮溶液；第三步,使用離心機(jī),將懸浮溶液以7 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心15 min,得到二硫化鉬溶液；第四步,將所得溶液均勻旋涂在石英片上；最后將石英片放入60 ℃的干燥皿中干燥,即完成可飽和吸收體的制作。

制作完成的可飽和吸收體可以利用拉曼光譜儀和掃描電子顯微鏡進(jìn)行表征。圖1給出了可飽和吸收體的拉曼譜。

圖1 二硫化鉬可飽和吸收體的拉曼譜

圖2給出了二硫化鉬可飽和吸收體在掃描電子顯微鏡下的圖像。同時利用分光光度計(jì)可以測得1 064 nm波段的透過率為88.8%。該數(shù)據(jù)可與之后激光器實(shí)驗(yàn)中的輸出參數(shù)進(jìn)行對比研究。

圖2 二硫化鉬可飽和吸收體的掃描電鏡照片

2.2 調(diào)Q鎖模激光器實(shí)驗(yàn)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

選擇調(diào)Q鎖模激光器,主要是由于其操作難度適中,能最大限度地鍛煉學(xué)生的動手能力。圖3為實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖。實(shí)驗(yàn)中采用“Z”型諧振腔,輸入耦合鏡由平面鏡M1充當(dāng),其一面鍍808 nm高透膜,另一面鍍808 nm高透、1 064 nm高反膜。M2、M3分別為曲率半徑是400 mm、200 mm的平凹鏡,均鍍有1 064 nm高反膜,M4是曲率半徑為200 mm的平凹鏡,其在1 064 nm波段透過率為8%。腔長L1、L2和L3分別為25 cm、40 cm和11 cm。

圖3 調(diào)Q鎖模激光器實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)中使用的泵浦源是發(fā)射波長為808 nm的激光二極管(LD),通過光纖耦合輸出,輸出光斑直徑約為400 μm。激光晶體為Nd:YVO4晶體,尺寸為3 cm×3 cm×5 cm,外立面鍍有808 nm和1064 nm高透膜。為了減小晶體的熱效應(yīng),將晶體用銦箔包裹,置于紫銅塊中,采用水循環(huán)方式冷卻,溫度控制在16 ℃。實(shí)驗(yàn)中選用硅偏置探測器和1 GHz帶寬示波器測量脈沖寬度和記錄脈沖波形,使用意大利LaserPoint公司的功率計(jì)測量脈沖輸出功率。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過輸出功率、脈沖寬度以及脈沖重復(fù)頻率等參數(shù)來評價激光器輸出性能。輸出功率分析從兩個方面進(jìn)行：未加可飽和吸收體時,注意連續(xù)輸出激光輸出功率的記錄；加入可飽和吸收體后,觀察調(diào)Q鎖模激光器的輸出功率。圖4給出了連續(xù)脈沖(CW)和調(diào)Q鎖模脈沖(QML)兩種情況的平均輸出功率隨泵浦功率變化的規(guī)律曲線。連續(xù)輸出激光閾值為3 W,隨著泵浦功率從3 W增加到10 W,平均輸出功率由10 mW增加到1.2 W，光光轉(zhuǎn)換效率為20%。調(diào)Q鎖模狀態(tài)下,激光脈沖輸出閾值達(dá)到3.8 W,輸出功率的變化規(guī)律與連續(xù)激光一致,均隨泵浦激光增加而增加。當(dāng)泵浦功率達(dá)到10 W時,輸出功率為643 mW。

圖4 連續(xù)輸出和調(diào)Q鎖模兩種狀態(tài)下的平均輸出 功率隨泵浦功率的變化曲線

調(diào)Q包絡(luò)的脈沖寬度和重復(fù)頻率的變化規(guī)律見圖5。

圖5 調(diào)Q包絡(luò)的脈沖寬度和重復(fù)頻率隨泵浦功率的變化圖

包絡(luò)寬度從7 μs降到1 μs,可見隨著泵浦功率的增加,調(diào)Q包絡(luò)迅速被壓縮,包絡(luò)內(nèi)的鎖模脈沖數(shù)量減少。調(diào)Q包絡(luò)的重復(fù)頻率隨泵浦功率的增加而升高。當(dāng)泵浦功率達(dá)到10 W時,重復(fù)頻率為85 kHz。根據(jù)輸出功率以及包絡(luò)重復(fù)頻率的數(shù)值,可以算出單脈沖能量,相關(guān)變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 脈沖能量的變化趨勢圖

圖7為泵浦功率10 W時不同時間間隔下的調(diào)Q鎖模波形。

圖7 不同時間間隔下示波器顯示的調(diào)Q鎖模波形

圖7(a)是調(diào)Q包絡(luò)脈沖鏈,可以得到脈沖重復(fù)頻率為85 kHz以及脈沖穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。圖7(b)是單個調(diào)Q包絡(luò)圖形,調(diào)Q鎖模脈沖的調(diào)制深度可以通過觀察計(jì)算得出，該圖給出的脈沖調(diào)制深度接近90%。圖7(c)是調(diào)Q包絡(luò)的展寬圖,展示調(diào)Q包絡(luò)內(nèi)的鎖模脈沖。脈沖間隔為5 ns,與光在腔內(nèi)的振蕩時間一致。

3 實(shí)驗(yàn)拓展

該實(shí)驗(yàn)屬于應(yīng)用性與研究性并重的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生可以根據(jù)激光器實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)從3個方面進(jìn)行擴(kuò)展。第一,可飽和吸收體制作過程的控制,從溶液配比到旋涂干燥等過程,都可以由學(xué)生自主控制,以期獲得穩(wěn)定性能的可飽和吸收體；第二,更換其他二維材料制作可飽和吸收體,進(jìn)行性能比較,尋找更加適合激光穩(wěn)定高效輸出的材料；第三,激光器參數(shù)優(yōu)化,根據(jù)輸出功率與脈沖寬度2個重要參數(shù)指標(biāo),改變激光器參數(shù),實(shí)現(xiàn)激光器輸出性能優(yōu)化。拓展部分可以作為大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)施。

4 結(jié)語

提升大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力是大學(xué)教學(xué)的核心內(nèi)容之一。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以學(xué)生理論課程所示知識為基礎(chǔ),結(jié)合學(xué)科前沿,注重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性、前沿性和創(chuàng)新性。學(xué)生通過可飽和吸收體制作和激光器輸出特性兩部分實(shí)驗(yàn),達(dá)到開闊視野、激發(fā)興趣、提升創(chuàng)新能力的目的，為相關(guān)專業(yè)學(xué)生就業(yè)以及深造打下良好基礎(chǔ)。