基于金纳米棒可饱和吸收体的Nd:YSAG被动调Q激光器

张倩倩, 刘倩慧，安珍妮，李健

(山东师范大学物理与电子科学学院，山东省光学与光子器件技术重点实验室，山东 济南 250014)

基于金纳米棒可饱和吸收体的Nd:YSAG被动调Q激光器

张倩倩, 刘倩慧，安珍妮，李健*

(山东师范大学物理与电子科学学院，山东省光学与光子器件技术重点实验室，山东 济南 250014)

以新型金纳米材料为可饱和吸收体，研究了LD端面泵浦的Nd:YSAG被动调Q激光器的激光输出特性。实验中通过调整金纳米棒的长径比等参数，成功地将金纳米棒材料由表面等离子体共振引起的非线性吸收峰调控到Nd:YSAG激光的输出波长1 062nm处，并成功获得了稳定的被动调Q激光输出，在泵浦功率为4.9W时，激光器的平均输出功率为14mW, 此时，激光脉冲宽度为944.1ns，重复频率100.1kHz。实验结果表明，金纳米材料在脉冲激光领域具有良好的应用前景。

Nd:YSAG; 金纳米棒；被动调Q

Electronics，ShandongNormalUniversity,Jinan250014,China)

全固态激光器因其结构紧凑、效率高、寿命长和光束质量高等优点在工业加工领域、医疗领域、国防领域等方面得到了广泛的应用。作为固态激光器的一个重要组成部分，调Q激光器因结构简单、成本低等优点，一直以来都受到激光器研究人员的青睐。自调Q技术首次提出并被实验验证以来，不同的课题组分别提出多种调Q方法，固体调Q激光器正向着大功率、高峰值功率、超短脉冲宽度等目标不断地发展进步。不同技术及实验手段的革新，推动了固体激光器调Q技术的一次次突破性的进展。其中，被动调Q激光器无需外加的电子调Q开关器件，只需在激光谐振腔内放置可饱和吸收体，利用其对特定光的饱和吸收效应即可实现特定光的脉冲激光输出。

作为被动调Q激光的重要组成部分，可饱和吸收体的发展一直受到研究者的重视。理想的可饱和吸收体应该具备超快的响应时间、较宽的吸收带宽、较大的三阶非线性系数以及较低的制备成本等特点。起初，在实验中应用较为广泛的有染料、色心材料、掺Cr4+的晶体等等。随后，半导体可饱和吸收镜、碳纳米管、石墨烯又被应用到被动调Q技术中[1-4]。近几年，贵金属材料因其具有较大的三阶非线性和皮秒级的反应时间，已经在各个领域得到了广泛的应用，比如超快通讯、光学信息处理、全光学开关、光数据存储器以及光限幅等[5-8]。金纳米粒子由于其在光动力治疗、生物传感、超高分辨率成像等领域的广泛应用，而受到研究者的关注，这些应用的实现主要依赖于金纳米颗粒优越的物理性能，这种性能主要来源于其表面等离子体共振(SPR)[9-12]。

本文中，我们采用的是一种新的饱和吸收体——金纳米棒。金纳米材料由于其自身特有的光学性质，已经在生物医疗领域、信息存储领域发挥了重要的作用。在光学领域，通过研究我们发现随着金纳米棒长径比的改变，其表面等离激元共振峰的位置也会发生改变，因此，它具有可调谐的吸收峰，这使得，基于金纳米棒可饱和吸收体的被动调Q激光器有望覆盖可见波段到红外波段。2012年Jiang等[13]，以掺有羧甲基纤维素钠的长径比为6.8的金纳米棒薄膜为饱和吸收体，以掺铒光纤为增益介质，研制出脉冲宽度9.6μs，重复频率为22.9kHz的调Q激光器。2013年Kang等[14]以长径比为4.5的金纳米棒薄膜为可饱和吸收体，以掺镱石英光纤为增益介质，研制出波长为1 039nm的锁模光纤激光器，其脉冲宽度为440ps，重复频率为36.6MHz，平均功率为1.25mW。并换用长径比为5的金纳米棒薄膜，研制出波长为1 982nm的锁模光纤激光器，脉冲宽度为4.02ps，重复频率为37.49MHz，平均功率为6mW。2015年Huang等[15]通过将声光调Q与金纳米棒被动调Q相结合的方式，以Nd：YAG为增益介质，产生了脉冲宽度为120ns，重复频率为5kHz的脉冲激光。在本文中，我们采用金纳米棒为饱和吸收体，以Nd：YSAG晶体为增益介质，实现了被动调Q脉冲输出。

1 实验设计

现在，制备金纳米棒的方法有反应性模板晶粒生长法、电化学增长法、光化学生长法和种子生长法等[16-21]。本文中用到的金纳米材料采用的是种子生长法制备，此外，由于金纳米颗粒的饱和吸收性由其SPR决定，金纳米棒的饱和磁化强度也取决于纳米棒的激发波长、形状和尺寸等[22-24]。实验中通过调控种子生长的时间等因素，从而控制金纳米棒的长径比等参数而成功将金纳米材料的SPR吸收峰调控到1 062nm处。

图1a为金纳米棒的透射电镜(transmissionelectronmicroscope，TEM)图，通过TEM图片可以看出金纳米棒的分布较为均匀，样品呈现出规则的棒状，长度约65nm，直径约9nm，长径比约为6.75。图1b是长径比为6.75的金纳米棒的吸收谱。从吸收谱线可以看出，该金纳米棒在518nm波长附近存在一个横向表面等离子激元共振吸收峰，在1 062nm波长附近存在一个纵向表面等离子激元共振吸收峰。因此，用该金纳米材料做可饱和吸收体而实现Nd:YSAG的被动激光输出是合适的。

实验装置如图2所示。采用输出波长为808nm的LD作为泵浦源，泵浦源输出功率是30W, 数值孔径为0.22 芯径 800μm。经过耦合透镜组准直聚焦后，端面抽运Nd：YSAG晶体。晶体尺寸为4mm×4mm×8mm,Nd3+掺杂质量分数为0.6%(没有镀膜)。实验中对Nd：YSAG晶体采用水冷降温。本实验的谐振腔采用超短的平-凹腔结构，腔长为2.3cm。其中，M1是半径为2 000mm的凹面镜，左侧S1面镀有808nm的增透膜，右侧S2面镀有1 020nm～1 300nm的高反膜和808nm的增透膜。M2是对波长为1 064nm激光的透过率为10%的平镜。本实验被动调Q所采用的饱和吸收体是金纳米棒薄膜，将带有金纳米棒薄膜的玻璃片紧贴输出镜放置。输出的光用ET-3000接收，输入到型号为“TDS5104 1G5GS”的示波器中，观察脉冲波形，并用功率计测量激光功率。

图1 金纳米棒可饱和吸收薄膜的TEM图和相应的吸收光谱Fig.1 TEM image and the absorption spectrum of the Au Nano-rod SA.

图2 Nd:YSAG激光器的实验装置图。Fig.2 Experimental setup of the Nd:YSAG laser

2 实验数据分析

图3是Nd:YSAG激光器的输出激光光谱，通过光谱分析仪器得到的数据可以看出，在808nm泵浦下，得到1 062nm的激光输出。由于谐振腔对其他跃迁波长的高损耗设计，实验中没有发现其他波长的激光跃迁出现。

图3 Nd：YSAG激光器的输出激光光谱Fig.3 The output spectrum of the Nd:YSAG laser

当腔内未加入金纳米棒饱和吸收体时，我们研究了在808nm泵浦下产生的1 062nm连续光的输出特性，如图4所示。图4反应了随着输入功率的增加，输出功率和光-光转化率的变化情况，该激光器的阈值功率为2.2W。随着输入功率的增加，输出功率呈线性增加。最大输出功率为3.32W，此时相应的光-光转化率为25.54%。由于实验中所用到的Nd:YSAG晶体并没有镀膜，后期的实验中如果对晶体镀1 062nm的高透膜，相信可以获得更高的激光功率输出和更高的光-光转换效率。为了保护激光晶体，实验中最大的泵浦功率为13W，但是此时由图4可以看出激光的输出功率并没有达到饱和状态，如果增加泵浦功率，应该可以得到更大的输出功率。

图4 连续光的输出功率和光-光转换效率Fig.4 Output power and conversion efficiency versus the pumping power.

将金纳米棒薄膜紧贴输出镜插入谐振腔内，当输入功率达到4.9W时产生了稳定的调Q脉冲串，如图5所示，脉冲功率为14mW。从图5中可以看出，此时所产生的脉冲的重复频率是100.1kHz，相应的单脉冲宽度为944.1ns。此时的单脉冲能量为1.4×10-4mJ，峰值功率为0.14W。当输入功率增加时，可以发现脉冲串的脉宽变窄，重复频率变大。但当输出功率超过5.8W时便不再有脉冲串出现，此时由于功率过高，金纳米材料出现热凝聚现象而使得饱和吸收特性降低，进而使金纳米棒薄膜不能正常工作。所以保证金纳米材料的稳定性是以后研究的重要课题。

图5 泵浦功率为4.9 W时的脉冲串和单脉冲图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 总结

本文研究了基于新型金纳米材料的Nd:YSAG被动调Q激光器的输出特性，实验中得到了稳定的调Q激光输出。获得的最大的输出功率为14mW，此时的最小脉冲宽度为944.1ns，实验结果充分验证了金纳米材料做为可饱和吸收体而获得脉冲激光的可行性。后期的实验中，将对激光器输出功率的提升及金纳米材料的稳定性等方面进行进一步的实验和理论研究。

[1]LIUHH,CHOWKK,YAMASHITAS,etal.Carbon-nanotube-basedpassivelyQ-switchedfiberlaserforhighenergypulsegeneration[J].OptLaserTechnol, 2013, 45:713-716.

[2]DONGB,HUJ,LIAWCY,etal.Wideband-tunablenanotubeQ-switchedlowthresholderbiumdopedfiberlaser[J].ApplOpt, 2011, 50(10): 1442-1445

[3]WANGZ,ZHUS,CHENY,etal.MultilayergrapheneforQ-switchedmode-lockingoperationinanerbium-dopedfiberlaser[J].OptCommun, 2013, 300: 17-21.

[4]LIUJ,XUJ,WANGP.Graphene-basedpassivelyQ-switched2umthulium-dopedfiberlaser[J].OptCommun,2012,285(24); 5319-5322.

[5]FILHOELF,SILVARB,FILHORGS,etal.High-ordernonlinearityofsilica-goldnanoshellsinchloroformat1560nm[J].OptExpress, 2010,18:21636-21644.

[6]WANGK,LONGH,FuM,etal.Size-relatedthird-orderopticalnonlinearitiesofAunanoparticlearrays[J].OptExpress, 2010, 28(13):13874-13879.

[7]SEOJT,YANGQ,KIMWJ,etal.OpticalnonlinearitiesofAunanoparticlesandAu/Agcoreshells[J].OptLett, 2009,34(3):307-309.

[8]POLAVARAPUL,MAMIDALAV,GUANZP,etal.HugeenhancementofopticalnonlinearitiesincoupledAuandAgnanoparticlesinducedbyconjugatedpolymers[J].ApplPhysLett, 2012,100(2): 023106.

[9]VIGDERMANL,KHANALBP,ZUBAREVER.Functionalgoldnanorods:Synthesis,self-assembly,andsensingapplications[J].AdvMater, 2012, 24(36): 4811-4841.

[10]CHENHJ,SHAOL,LIQ,etal.Goldnanorodsandtheirplasmonicproperties[J].ChemSocRev, 2013, 42(7): 2679-2724.

[11]VANKAYALAR,HUANGY,KALLURUP,etal.Firstdemonstrationofgoldnanorods-mediatedphotodynamictherapeuticdestructionoftumorsvianearinfra-redlightactivation[J].Small, 2014, 10(8):1612-1622.

[12]邵磊, 阮琦锋, 王建方, 等. 局域表面等离激元[J]. 物理, 2014, 43(05): 290-298.

[13]JIANGT,XUY,TIANQJ,etal.PassivelyQ-switchinginducedbygoldnanocrystals,[J].ApplPhysLett, 2012,101(15): 151122.

[14]KANGZ,GUOX,JIAZ,etal.Goldnanorodsassaturableabsorbersforall-fiberpassivelyQ-switchederbium-dopedfiberlaser[J].OpticalMaterialsExpress, 2013, 3(11): 1986-1991.

[15]HUANGHT,LIM,WANGL,etal.Goldnanorodsassingleandcombinedsaturableabsorbersforahigh-energy-switchedNd:YAGsolid-statelaser[J].IEEEPhotonicsJournal, 2015, 7(4):1-10.

[16]FOSSCA,HORNYAKGL,STOCKERTJA.Opticalpropertiesofcompositemembranescontainingarraysofnanoscopicgoldcylinders[J].JPhysChem, 1992, 96(19):7497-7499

[17]MARTINCR.Membrane-basedsynthesisofnanomaterials[J].ChemMater, 1996, 8(8):1739-1746.

[18]YUYY,CHANGSS,LEECL,etal.Goldnanorods:electrochemicalsynthesisandopticalproperties[J].JPhysChemB, 1997, 101(34): 6661-6664.

[19]KIMF,SONGJH,YANGP.Photochemicalsynthesisofgoldnanorods[J].JAmChemSoc, 2002, 124(48): 14316-14317.

[20]JANANR,GEARHEARTL,MURPHYCJ.Seed-mediatedgrowthapproachforshape-controlledsynthesisofspheroidalandrod-likegoldnanoparticlesusingasurfactanttemplate[J].AdvMater, 2001, 13(18): 1389-1393.

[21]NIKOOBAKHTB,EL-SAYEDMA.Preparationandgrowthmechanismofgoldnanorods(NRs)usingseed-mediatedgrowthmethod[J].Chem.Mater, 2003, 15(10): 1957-1962.

[22]WUHY,CHUHC,KUOTJ,etal.Seed-mediatedsynthesisofhighaspectratiogoldnanorodswithnitricacid[J].ChemMater, 2005, 17(25): 6447-6451.

[23]KANGZ,XUY,ZHANGL,etal.Passivelymode-lockinginducedbygoldnanorodsinerbium-dopedfiberlasers[J].AppliedPhysicsLetters, 2013, 103(4): 041105.

[24]FAND,MOUC,BAIX,etal.PassivelyQ-switchederbium-dopedfiberlaserusingevanescentfieldinteractionwithgold-nanospherebasedsaturableabsorber[J].Opticsexpress, 2014, 22(15): 18537-18542.

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

国家自然科学基金(61205174)

张倩倩(1991—)，女，硕士研究生，研究方向为全固态激光器件。E-mail：794791256@qq.com

*通信作者，李健(1963—)，男，教授，研究方向为全固态激光器件与非线性光学。E-mail：lijian@sdnu.edu.cn

TN

A

1002-4026(2017)02-0109-06