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        基于超薄層MoS2可飽和吸收體的被動(dòng)調(diào)Q固體Nd∶YAG激光器

        2021-06-09 02:22:02付鑫鵬付喜宏彭航宇寧永強(qiáng)
        發(fā)光學(xué)報(bào) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:吸收體鎖模激光器

        付鑫鵬,付喜宏*,姚 聰,楊 飛,張 俊,彭航宇,秦 莉,寧永強(qiáng)

        (1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 130033;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049; 3.長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130022)

        1 引 言

        超快激光具有獨(dú)特的超短脈沖,能在較低的平均功率下獲得超高的峰值功率,在現(xiàn)代科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。例如,利用其超高峰值功率特性實(shí)現(xiàn)的激光加工、激光醫(yī)學(xué)手術(shù)和激光約束核聚變等技術(shù),利用其超短時(shí)間分辨特性實(shí)現(xiàn)的微觀粒子動(dòng)力學(xué)行為探測(cè)、超快化學(xué)反應(yīng)探測(cè)、大容量高精度的光通訊系統(tǒng)等技術(shù),以及利用其豐富的光譜成分實(shí)現(xiàn)的脈沖整形、光譜檢測(cè)技術(shù)等等。超短脈沖激光以其強(qiáng)大的功用譜寫了一部典型的學(xué)科交叉的創(chuàng)造發(fā)明史,其發(fā)展充滿著挑戰(zhàn)、機(jī)遇和創(chuàng)新空間。

        被動(dòng)調(diào)Q和鎖模技術(shù)是獲得脈沖激光的常用方法。目前應(yīng)用于被動(dòng)調(diào)Q和鎖模的可飽和吸收體主要有半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)[1-3]、碳納米管[4-8]、石墨烯[9-10]以及新型二維材料[11-15]。SESAM工作穩(wěn)定,損耗小,已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn),并在固體激光器及光纖激光器中廣泛使用。但是,SESAM的恢復(fù)時(shí)間和調(diào)制深度不易控制,工作帶寬較窄且只在近紅外波段有成熟的產(chǎn)品,不能滿足寬波段調(diào)諧的要求,從而限制了它的應(yīng)用。2003年,Set 等首次以碳納米管作為可飽和吸收體應(yīng)用于摻鉺光纖激光器中實(shí)現(xiàn)鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)[4]。此后,碳納米管作為另一種常用的可飽和吸收體被應(yīng)用于光纖激光器[5]與固體激光器[6-8]中實(shí)現(xiàn)被動(dòng)調(diào)Q、鎖模脈沖輸出。碳納米管具有響應(yīng)時(shí)間短(<800 fs)、偏振不敏感等優(yōu)點(diǎn),其吸收波長(zhǎng)取決于管壁直徑,雖然通過不同直徑碳納米管的混合可以實(shí)現(xiàn)寬波段吸收的目標(biāo),卻會(huì)導(dǎo)致較大的散射損耗。2009年,石墨烯憑借狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)在強(qiáng)光下的泡利阻塞效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的寬波段吸收特性,作為新型可飽和吸收體被成功地應(yīng)用于光纖激光器中實(shí)現(xiàn)鎖模脈沖輸出[9]。隨后,類石墨烯結(jié)構(gòu)的黑磷[13-14]和過渡金屬硫族化合物[11-12,15]等二維材料可飽和吸收體被相繼報(bào)道,因其成本低、恢復(fù)時(shí)間短和飽和光強(qiáng)低等優(yōu)勢(shì),被廣泛地應(yīng)用于激光器被動(dòng)調(diào)Q、鎖模中,促進(jìn)了脈沖激光的發(fā)展。

        作為過渡金屬硫族化合物家族中具有代表性的一員,MoS2具有S-Mo-S的三明治結(jié)構(gòu),層內(nèi)以共價(jià)鍵結(jié)合,層間以范德華力結(jié)合,層間作用力可以有效影響物質(zhì)的能帶結(jié)構(gòu)。MoS2體材料為間接帶隙能帶結(jié)構(gòu),帶隙寬度為1.2 eV[16]。單層MoS2為直接帶隙能帶結(jié)構(gòu),帶隙寬度為1.8 eV[17]。超薄層MoS2包括單層及少數(shù)層級(jí)材料,帶隙寬度在1.7~1.8 eV之間[16]。然而,上述MoS2電學(xué)性能是建立在原子晶格高度完整基礎(chǔ)上的。在實(shí)際加工過程中,不可避免地會(huì)引入雜質(zhì)或缺陷,晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生偏離,通過電子局域化效應(yīng),使MoS2能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,帶隙寬度變窄。山東大學(xué)Wang等證明了引入S原子缺陷至S/Mo比分別為1.94與1.89時(shí),帶隙寬度減小為1.08 eV與0.26 eV[17-18]。引入Mo原子缺陷至S/Mo比為2.17時(shí),帶隙寬度減小為0.13 eV,用其制造的光電探測(cè)器的工作帶寬可達(dá)445 nm~9 mm[19]。帶隙窄化的MoS2在強(qiáng)光激發(fā)下發(fā)生泡利阻塞效應(yīng),在可見光波段與近紅外波段均能表現(xiàn)出良好的非線性光學(xué)特性。2013年,Wang等采用開孔Z掃描的方法,測(cè)量了其三階非線性吸收系數(shù)可達(dá)10-15esu量級(jí)[20]。2015年,Zhang等采用MoS2可飽和吸收器件實(shí)現(xiàn)了1 535~1 565 nm的連續(xù)可調(diào)諧脈沖激光輸出[21]。2019年,令維軍等利用反射式MoS2可飽和吸收體實(shí)現(xiàn)了2 mm波段的Tm∶LuAG激光器被動(dòng)調(diào)Q鎖模脈沖輸出[22]。相較于體材料MoS2,超薄層MoS2納米片更能均勻分散在水溶液中,不需加任何的其他有機(jī)溶劑,而且其具有低光限幅閾值、大非線性折射率以及高品質(zhì)因數(shù)[23],更適合作為可飽和吸收體用于激光器調(diào)Q鎖模過程中。

        本文利用超薄層MoS2納米片作為可飽和吸收材料,采用石英池盛放分散液的方式提升材料的抗損傷閾值,在激光介質(zhì)Nd∶YAG中實(shí)現(xiàn)了調(diào)Q脈沖輸出。脈沖激光中心波長(zhǎng)為1 064.29 nm,最大輸出功率為485 mW,對(duì)應(yīng)的單脈沖能量為2.5 μJ,鎖模脈沖序列的重復(fù)頻率為189.7 kHz。

        2 實(shí) 驗(yàn)

        2.1 超薄層MoS2可飽和吸收體的制備與表征

        把500 mg的MoS2粉末倒進(jìn)100 mL水中,攪拌均勻。高功率超聲2 h后,MoS2粉末在水中充分分散開,部分材料被剝離成超薄層的MoS2納米片。之后對(duì)獲得的分散液進(jìn)行離心,8 000 r/min下5 min,使未剝離的大塊MoS2材料沉淀底部。靜置24 h后,取上清液,獲得0.3 mg/mL的超薄層MoS2納米片分散液。使用移液槍將其轉(zhuǎn)移到45 mm×12 mm×1 mm的高透過率石英池中,用密封膠封住石英池開口,保持溶液濃度不變。

        圖1 (a)石英池內(nèi)超薄層MoS2納米片分散液的照片;(b)超薄層MoS2納米片的掃描電子顯微鏡圖片;(c)拉曼光譜;(d)飽和吸收透過率曲線。

        (1)

        其中T為透過率,I為入射光強(qiáng),ΔT代表調(diào)制深度,Tns代表非飽和損耗,Isat代表飽和吸收強(qiáng)度。通過對(duì)透過率曲線擬合,求得超薄層MoS2納米片分散液可飽和吸收體的調(diào)制深度為15.5%,飽和吸收強(qiáng)度為520 W/cm2。非飽和損耗為10.2%,其主要來源于石英池的菲涅耳損耗與可飽和吸收體的散射損耗。相較于前人對(duì)MoS2可飽和吸收特性的報(bào)道結(jié)果[26-27],我們的超薄層MoS2納米片分散液可飽和吸收體具有更高的調(diào)制深度、更低的飽和吸收強(qiáng)度與非飽和損耗,其內(nèi)在物理機(jī)制為超薄層MoS2相對(duì)于同等質(zhì)量的體材料MoS2具有更高的吸收系數(shù)與光生載流子密度,使其具有更高的調(diào)制深度與更低的飽和吸收強(qiáng)度。同時(shí),超薄層MoS2尺寸的均勻性可以有效地減小體材料MoS2由于尺寸大小不一帶來的散射損耗,并且在后續(xù)的工作中,可通過對(duì)石英池兩側(cè)鍍膜降低菲涅耳損耗的方式,實(shí)現(xiàn)更低的非飽和損耗。

        2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

        圖2所示為實(shí)驗(yàn)所用的固體Nd∶YAG被動(dòng)調(diào)Q激光器裝置示意圖,選用光纖耦合808 nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器作泵浦源,光纖的數(shù)值孔徑為0.22,芯徑為400 mm,泵浦光經(jīng)1∶1準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)會(huì)聚于增益晶體上。選用平凹諧振腔,腔長(zhǎng)85 mm,其主要包括輸入鏡 IM、Nd∶YAG增益晶體、輸出鏡OC與可飽和吸收體幾部分。其中輸入鏡IM為凹面鏡,曲率半徑為500 mm,表面鍍有1 064 nm高反、808 nm增透膜。增益晶體選用直徑為3 mm、長(zhǎng)度為10 mm的Nd∶YAG晶體棒,晶體層面被銦箔包裹后放置在銅塊中,之后用半導(dǎo)體制冷器使銅塊與晶體的溫度保持在20 ℃。輸出鏡OC選用1 064 nm波長(zhǎng)處10%透過率的平面鏡。

        圖2 基于超薄層MoS2可飽和吸收體的被動(dòng)調(diào)Q固體Nd∶YAG激光器示意圖

        3 結(jié)果與討論

        采用上述實(shí)驗(yàn)裝置,調(diào)整腔鏡及晶體的位置,實(shí)現(xiàn)連續(xù)激光輸出。然后,以石英池為容器將超薄層MoS2分散液可飽和吸收體插入諧振腔中,調(diào)節(jié)可飽和吸收體位置,逐步增加泵浦光功率,即可實(shí)現(xiàn)調(diào)Q脈沖輸出。圖3(a)給出了脈沖激光的平均輸出功率隨泵浦功率的演化趨勢(shì)。當(dāng)泵浦功率為2.46 W時(shí),開始出現(xiàn)調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn),相應(yīng)的輸出功率為7.8 mW;當(dāng)泵浦功率為14.55 W時(shí),得到該實(shí)驗(yàn)中最大的調(diào)Q脈沖輸出功率485 mW,整體演化過程的斜效率為3.95%。

        調(diào)Q脈沖激光的重復(fù)頻率和脈沖寬度隨泵浦功率的演化趨勢(shì)如圖3(b)所示,從圖中可知,隨著泵浦功率從2.46 W增加到14.55 W,激光的重復(fù)頻率從66.67 kHz升高到189.75 kHz,相應(yīng)的脈沖寬度從1.41 μs變窄至1.2 μs。產(chǎn)生該現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)制為泵浦功率的增加能夠加快激光上能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的積累和消耗,從而導(dǎo)致脈沖重復(fù)頻率增大。同時(shí),激光晶體的初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)增加可以有效地減少脈沖的上升時(shí)間,使得脈沖寬度減小。

        圖3 被動(dòng)調(diào)Q激光的平均輸出功率(a)、脈沖寬度和重復(fù)頻率(b)隨泵浦功率的變化。

        為觀察脈沖激光器的輸出波形,實(shí)驗(yàn)中結(jié)合高速光電探測(cè)器(Thorlabs DET01CFC)與數(shù)字示波器(Tektronix MSO4104B),實(shí)現(xiàn)激光脈沖的接收,并記錄實(shí)時(shí)波形。根據(jù)平均輸出功率和重復(fù)頻率,能夠計(jì)算得出Nd∶YAG被動(dòng)調(diào)Q激光的單脈沖能量隨泵浦功率的增加而變大。圖4為泵浦功率14.55 W時(shí)脈沖激光的脈沖序列和單脈沖波形,其中脈沖序列相位關(guān)系固定,間隔分布均勻。根據(jù)485 mW平均輸出功率與189.75 kHz的重復(fù)頻率,計(jì)算得出該實(shí)驗(yàn)中被動(dòng)調(diào)Q激光的最大單脈沖能量2.56 μJ。選用YOKOGAWA AQ63700型號(hào)的光譜儀測(cè)量被動(dòng)調(diào)Q脈沖激光的波長(zhǎng)。圖5所示為Nd∶YAG脈沖激光的光譜圖,被動(dòng)調(diào)Q脈沖激光中心波長(zhǎng)為1 064.29 nm,且其不隨泵浦功率變化而改變。

        圖4 調(diào)Q脈沖激光的脈沖序列和單脈沖波形

        圖5 輸出激光光譜

        4 結(jié) 論

        利用超聲剝離法制備了超薄層MoS2分散液可飽和吸收體,并以石英池為容器插入到Nd∶YAG激光諧振腔中實(shí)現(xiàn)了1 064.29 nm波長(zhǎng)的被動(dòng)調(diào)Q脈沖輸出。當(dāng)泵浦功率為2.46 W時(shí),激光器進(jìn)入調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),隨著泵浦功率的增大,諧振腔內(nèi)功率密度得以提升,脈沖重復(fù)頻率逐漸增大,脈沖寬度逐漸變窄。直至泵浦功率達(dá)到14.55 W時(shí),實(shí)現(xiàn)最大的平均輸出功率485 mW,脈沖寬度為1.2 μs,最大的重復(fù)頻率189.75 kHz,最大的單脈沖能量2.56 μJ。該實(shí)驗(yàn)表明,超薄層MoS2分散液可以作為中心波長(zhǎng)1 064 nm固體激光器有效的可飽和吸收體材料,實(shí)現(xiàn)被動(dòng)調(diào)Q功能。

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