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石墨烯被动调Q光纤激光器研究新进展

2016-01-08 09:06
蓝林笑生
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  1 引言

  光纤激光器与其他激光器相比,具有效率高、稳定性好、体积小和光束质量好等优点,广泛应用于材料加工、光纤通信、大气光学、激光医疗、军事等多个领域。尤其是脉冲激光器已经成为激光制造和激光通信的关键设备。光纤激光器可以采用锁模和调Q两种方法来实现脉冲输出。调Q与锁模相比,具有更高的单脉冲能量,较宽的脉冲宽度和更宽的转换效率。光纤激光器的调Q方式主要有主动、被动两种。主动调Q 需要外加声光、电光转换装置来改变谐振腔Q 值,结构复杂。被动调Q 是利用饱和吸收材料( 如掺杂过渡金属材料或者半导体材料)或者光纤中的布里渊散射效应来改变谐振腔内的Q值来实现的,其特点是结构简单紧凑。

  Cr∶YAG与半导体饱和吸收镜是备受青睐的饱和吸收体,但是Cr∶YAG 吸收带宽( 0.8 ~1.2 μm) 有限,且与光纤耦合性很差,不能完全满足光纤激光器的要求。半导体饱和吸收镜制作封装工艺复杂,工作波段也很窄。碳纳米管作为饱和吸收体具有可饱和吸收强度大、响应时间快、成本低价格便宜的优点,但是其工作波长与纳米管直径和手性有关。可以采用多种不同直径的碳纳米管以实现宽带吸收,但是这又会引入额外的损耗,增加调Q的难度。与半导体饱和吸收镜、Cr ∶ YAG、碳纳米管相比,石墨烯与氧化石墨烯具有完美的光学特性,如吸收强度大、工作波段更宽( 可见光到中红外) 、响应时间超快( 100 fs) 、损伤阈值高,而且制作简单、价格低廉、与光纤耦合性好,是被动调Q 光纤激光器的理想材料。

  2 石墨烯饱和吸收体

  2.1 石墨烯饱和吸收特性

  石墨烯具有特殊的光学与电学特性,和其他大多数二维纳米材料不同,它有一个零带隙能带结构。理想的石墨烯能带是完全对称的锥型导带和价带对称的分布在费米能级上下,导带与价带交叉点为狄拉克点。这种特殊结构决定了石墨烯对光的响应与波长无关,其工作光谱范围更宽。石墨烯具有非常良好的非线性光学吸收特性。当入射光比较弱时,处在价带的电子会吸收光子能量跃迁到导带,石墨烯的吸收系数较大。而入射光足够强时,导带将被新产生的电子填满,阻碍了石墨烯吸收更多光子,因此吸收系数减少。单层石墨烯的能级结构如图1所示。

  2.2 石墨烯饱和吸收体的制作

  石墨烯具有良好的饱和吸收特性,需要采用不同方法来制备调Q 开关。在光纤激光器方面,目前有四种有效的方法。石墨烯饱和吸收体的制备方法如图2 所示。

  2.2.1 “三明治”结构

  “三明治”结构被动调Q 饱和吸收体是目前最简单最有效使用最多的结构。把石墨烯置于两个光纤端面之间,构成“三明治”结构。制作方法有: ①可以将化学气相沉积法( CVD) 制备的石墨烯薄片;或者利用石墨烯和大分子材料混合而成的复合材料薄膜直接夹在光纤连接器之间构成“三明治”结构。②也可以利用激光诱导沉积的方法,直接将石墨烯分散液中的石墨烯通过电泳效应沉积在光纤端面上。③通过“喷雾”法,把制备的石墨烯溶液喷洒在光纤端面上,烘干。④甚至也可以将CVD 制备的石墨烯,直接转移单光纤端面上。

  采用此种办法制备的石墨烯调Q 开关属于透射式结构,光纤耦合损耗较小,基本可以实现全光纤结构。缺点是损伤阈值较低,输出功率不高。

  2.2.2 内部镶嵌结构

  将石墨烯分散液注入到一根中空或者光子晶体光纤中,烘干即可。这种方法制备的饱和吸收体损伤阈值较高,结构简单紧凑,引入的损耗较少,可以实现光纤激光器的全光纤结构。

  2.2.3 光倏逝波耦合结构

  利用光倏逝波与石墨烯的相互作用也可以制作饱和吸收体,由于仅部分光与石墨烯相互作用,因而损伤阈值更高。其主要结构有D 型光纤和锥型光纤。

  2.2.4 腔镜反射式结构

  可以将石墨烯直接沉积或者转移到宽度反射镜上,构成反射式饱和吸收体。将此饱和吸收反射镜作为一个谐振腔的腔镜,来实现被动调Q。这种方法制作比较简单,但不是全光纤结构,结构比较复杂,耦合效率比较低。大部分应用于线型腔光纤激光器。

  3 石墨烯调Q 光纤激光器研究进展

  光纤激光器是用掺稀土元素的光纤作为增益介质的激光器,常见的掺杂离子主要有Er3 +、Yb3 +、Tm3 +、Ho3 + 以及Nd3 + 等。

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