基于石墨烯的1 064nm连续锁模超短脉冲激光器

史瑞平，白 杨，祁 媚，魏洪铎，任兆玉，白晋涛

（1.西北大学 光子学与光子技术研究所，陕西 西安710069；

2.陕西省光电技术与功能材料省部共建国家重点实验室培育基地 国家级光电技术和功能材料及应用国际科技合作基地，陕西 西安710069；3.西北大学 物理学系，陕西 西安710069）

引言

近年来，高平均功率、高重复频率全固态被动锁模激光器以其窄脉宽、宽光谱、高功率和高重复频率等特点被广泛应用于激光光谱、量子相干控制、医学、光通信和分子反应动力学等领域。可饱和吸收体作为被动锁模激光器中的一个核心器件，影响着锁模脉冲的性能。通常实现被动锁模的材料主要有半导体可饱和吸收镜（SESAM）［1－4］和碳纳米管（SWCNT）［5－7］等。然而 SESAM 存在生产工艺复杂、生产成本高、可饱和吸收光谱范围相对较窄等不足之处。而SWCNT存在碳纳米管的直径不可控且对某些特定波长的激光插入损耗增加，导致可饱和吸收效应不明显等问题。因此，人们一直致力于寻找优秀的新的可饱和吸收材料。石墨烯（graphene）是一种由单层碳原子以sp2杂化轨道组成、六角型呈蜂巢晶格的二维π电子共轭结构的世界上最薄纳米材料，自2004年被首次发现后［8］，就以独特的热、机械、电子及光学性能和宽光谱范围内的可饱和吸收特性［9－11］成为国内外研究的热点。与传统的SESAM和SWCNT相比，石墨烯没有禁带，其饱和吸收特性与波长无关，不仅对全部可见光和近红外光具有高透射率（单层损耗率2.3%）［12］，而且能够透射2μm～10 μm的中红外光（单层损耗率2.9%），并且具有制造比较简单、成本较低、漂白时间短、损伤阈值高等优点。目前，将石墨烯作为可饱和吸收材料应用与激光锁模的报道主要集中在光纤激光器领域，其锁模脉冲宽度达到百飞秒量级，但是平均输出功率都较低。例如Sun等人［13］2010年报道了基于石墨烯被动可饱和吸收体，获得了1.2mW、174fs的石墨烯锁模铒光纤脉冲输出。2011年，田振等人［14］利用在掺铒全光纤激光器中插入石墨烯的方法，获得了重复频率为8.7MHz，脉宽为10.29ps，中心波长为1 532.75nm的被动锁模脉冲输出。2013年，Q.Q.Wang等人［15］利用基于石墨烯可饱和吸收体的掺镱光纤激光器获得中心波长为1.55μm的锁模激光。与石墨烯锁模光纤激光器研究相比，基于石墨烯可饱和吸收体的飞秒量级、高功率全固态连续锁模激光器的报道较少。本课题组基于化学气相沉积法（CVD）制备出大尺寸的石墨烯可饱和吸收镜，采用808nm激光二极管端面泵浦Nd∶YVO4晶体，获得了重复频率66.7MHz、脉冲宽度518fs、最大平均输出功率323 mW的1 064nm连续锁模超短脉冲激光输出。

1 石墨烯可饱和吸收镜的制备

实验中采用了技术成熟的CVD法来生长石墨烯。首先将超声波清洗后的2cm×2cm×25 μm铜箔载体放置在高温管式炉内直径为4.5cm的石英管中，通入流速为200sccm的Ar气排出管内空气；随后高温管式炉运行升温，并通入流速为200sccm的载气H2，去除铜箔表面残存的氧化物。当炉内温度升至900℃，将Ar气和H2的流速分别控制在750sccm和250scc m；20min后，通入流速为10sccm的碳源C2H2气体。在900℃高温下，C2H2分子进行裂解，C原子沉积在载体铜箔表面。生长10min后，关闭C2H2气体并开始降温；在700℃时关闭 H2气，Ar气流速降至（20～30）sccm，直至室温；将铜箔样品侵入浓度为1mol／L的FeCl3溶液，直到载体铜箔被完全腐蚀干净；最后用去离子水反复清洗石墨烯薄膜（1.2cm×1.2 cm）并将其直接转移至1 064nm增透镜表面（R＜0.2%＠1 064nm）。在经过弱气流的氮气吹拂、乙醇漂洗、2h45℃真空干燥流程后，石墨烯可饱和吸收镜被制备出来。图1展示了由514nm的氩离子激光激励实验制备出的石墨烯可饱和吸收镜的拉曼光谱图。拉曼光谱的3个特征峰分别为1 354.39cm－1的 D峰，1 584.71cm－1的 G 峰和2 706.07cm－1的2D峰。G峰和2D峰的宽度和相对强度反映出该样品的层数约为7～8层，D峰与G峰的相对强度较小，说明该样品中存在的缺陷较小［16］。

图1 石墨烯可饱和吸收镜的拉曼光谱图及其照片Fig.1 Raman spectrum of fabricated graphene saturable absorption and its photograph inserting in top-right corner

2 基于石墨烯可饱和吸收镜的Nd∶YVO4飞秒激光器实验研究

基于石墨烯可饱和吸收镜的808nm激光二极管端面泵浦Nd∶YVO4连续锁模激光器的实验装置如图2所示。采用光纤耦合（芯径400μm、数值孔径0.22）输出为30W的808nm连续激光二极管端面泵浦Nd3＋掺杂浓度为0.6%的Nd∶YVO4晶体（3mm×3mm×6mm）。Nd∶YVO4晶体的泵浦端面镀制808nm增透（T＞95%）和1 064nm高反（R＞99.7%）的介质膜；另一端面镀制808nm增透（T＞99.5%）和1 064nm增透（T＞99.7%）的介质膜。采用17.5℃的循环冷却水对晶体实施冷却，可以有效地消弱热透镜效应的影响，温度控制精度在±0.1℃。谐振腔采用W型折叠腔结构，腔镜M1、M2和M3皆为平凹镜，凹面曲率半径分别1 000 mm、100mm和100mm，且均对1 064nm高反射（高反射＠1 064nm，R＞99.8%＠15°）；输出镜 M4为平面镜，耦合输出率为3%＠1 064nm。谐振腔腔长大约为2 150mm，L1、L2、L3和L4段长度分别为1 500mm、200mm、200mm和250mm。

在激光器稳定运转的状态下，1 064nm激光平均输出功率随泵浦功率的变化如图3所示。当泵浦功率小于8.0W时，激光处于明显的调Q锁模状态，说明腔内能量还没有达到抑制调Q锁模的阈值；当泵浦功率超过8.0W，调Q锁模被抑制，获得了连续的被动锁模超短脉冲激光，平均输出功率为185mW；随着泵浦功率的不断增大，输出功率也随之线性增加，当输入功率达到16.0W时，连续锁模的平均输出功率达到323mW；继续增大泵浦功率，锁模脉冲序列出现不稳定的状态。原因在于石墨烯层与层之间是靠较弱的范德瓦尔斯力结合，当泵浦功率超过16.0W后，强振荡光造成石墨烯薄膜层被汽化，锁模光相位失配，从而导致锁模激光脉冲序列出现不稳定输出。

图3 锁模激光器平均输出功率随泵浦功率的变化Fig.3 Average output power versus incident pump power for CW passively mode-locked ultrashort pulse laser

在泵浦功率为16.0W的条件下，使用光谱仪（ocean optics HR4000CG-UV-NIR）分别测量了连续输出和连续锁模输出两种状态下1 064 nm激光的光谱特性，如图4所示。激光的谱线中心波长为1 063.4nm，连续输出和连续锁模输出光谱的半高全宽分别为1.5nm和2.3 nm。此外，采用上升沿时间小于400ps的光电探测器 （ET-3000A）和带宽为1GHz（agilent technologies DSO9104A）的数字示波器对连续锁模激光脉冲序列进行测量。ns和μs时域的连续锁模脉冲序列如图5所示，脉冲时间间隔约为15μs，对应的连续锁模的脉冲重复频率为66.7MHz，对应的理论谐振腔腔长大约为2.25 m，与谐振腔的实际腔长基本相符。由于没有自相关仪，无法直接测量锁模激光的脉冲宽度，故根据傅里叶极限公式［17］（Δv·Δt＝0.315（脉冲宽度与频宽的乘积为0.315）），估算出连续锁模脉冲宽度大约为518fs。

3 结论

本课题利用化学气相沉积法成功制备出大尺寸的石墨烯可饱和吸收镜，并应用于激光二极管端面泵浦Nd∶YVO4晶体、W型折叠腔结构的全固态连续锁模激光器中，获得了中心波长1 063.4 nm、重复频率66.7MHz、脉冲宽度518fs、平均输出功率323mW的高功率、百飞秒量级的近红外超短脉冲激光输出。实验结果不但为我们展示出石墨烯材料作为可饱和吸收材料所具有极短的饱和吸收恢复时间、易制造、低插入损耗等优异的光电特性，更显示出石墨烯材料在高功率超短脉冲全固态锁模激光产生中的巨大应用潜力。

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