基于MoS2可饱和吸收体的 Nd:GYSGG激光器双波长调Q及锁模的研究①

王贝贝 高雅静 高丛丛 张丙元

(聊城大学物理科学与信息工程学院，山东省光通信科学与技术重点实验室，山东聊城252059)

基于MoS2可饱和吸收体的 Nd:GYSGG激光器双波长调Q及锁模的研究①

王贝贝 高雅静 高丛丛 张丙元

(聊城大学物理科学与信息工程学院，山东省光通信科学与技术重点实验室，山东聊城252059)

利用真空蒸镀法制备了MoS2可饱和吸收体，研究了Nd∶GYSGG激光器在1 057.28 nm和1 060.65 nm的双波长调Q及锁模运转特性．在泵浦功率为4 W时获得重复频率为51 kHz，最小脉冲宽度为831 ns的调Q激光脉冲，以及重复频率为83 MHz,脉冲宽度约为260 ps的调Q锁模激光脉冲．激光器调Q运转的最大输出功率为0.25 W，相应的光光转换效率为6.25%，得到最大单脉冲能量为4.9 μJ．测得锁模脉冲最大输出功率为0.167 W,相应的光光转化效率为3.96%．

被动调Q，MoS2可饱和吸收体，Nd:GYSGG，双波长输出

0 引言

自1960年第一台激光器问世以来，激光技术不断发展．超短脉冲技术作为一个重要的发展方向也得到快速发展．超短脉冲以脉冲宽度窄、峰值功率高等优点被广泛应用于物理学、生物学、激光光谱学、材料学、军事技术、通讯技术等众多领域之中．要获得超短脉冲，一般利用调Q、锁模技术来实现．作为被动调Q及锁模的最重要元件可饱和吸收体自诞生以来备受关注[1].人们不断探索利用具有非线性吸收特性的新型材料来制作可饱和吸收体[2-4]．自2004年石墨烯被Novoselov KS Geim AK[5]发现以来，成为人们研究的重点．独特的狄拉克锥能带结构使其具有许多优异特性，但也正是这个零带隙结构限制了其在电子器件中的应用[6]．随着材料技术的发展，人们开始研究二维过渡金属硫化物(TDMs)的光学调制特性．二硫化钼晶体结构有三种，共同点是每一层二硫化钼都由两层硫原子夹一层钼原子所构成．其中的钼原子和硫原子之间以共价键结合，而各层之间的结合力主要是较弱的范德华力．这种材料的带隙与层数密切相关，多层时表现为间接带隙，少层或单层结构表现为直接带隙[7]．这就弥补了石墨烯材料的“先天不足”[8,9]，极大地激发了研究人员对二硫化钼可饱和吸收特性的研究．科研人员从块状二硫化钼晶体中剥离出纳米层，研究了这些纳米层的光电性质[10,11]，发现二硫化钼纳米层具有很好的非线性光学特性，非常适合用来进行光学调制．2013年，Wang Kangpeng等人利用开孔Z扫描方法测试了二硫化钼的超快非线性光学特性，利用掺钛蓝宝石锁模激光器进行实验测量．结果表明，二硫化钼纳米片具有极好的可饱和吸收特性[12]．2014年Wang S X等人研究得出二硫化钼的宽带波长可饱和吸收特性较石墨烯、氧化石墨烯的可饱和吸收能力更为优异[13]．近几年内，以二硫化钼作为可饱和吸收体的光纤及固体激光器纷纷开始被报道[14]．我们实验室成员Wang Guoju等人利用二硫化钼可饱和吸收体分别实现了Nd:GdTaO4和Nd:YVO4激光器的调Q和调Q锁模运转[15,16]．本文设计了基于二硫化钼可饱和吸收体的半导体泵浦的Nd:GYSGG激光器，实现了在1 057.28 nm和1 060.65 nm处的双波长调Q及锁模运转．

1 二硫化钼可饱和吸收体的制备

利用真空蒸镀法制备二硫化钼．具体操作为：首先将丙酮和无水乙醇按1∶2的比例配成清洗液．将长20 mm×10 mm×1 mm的石英片放入清洗液中超声30 min，取出干燥．然后将处理好的石英片固定在基片上，取0.02 g 纯度为99%的二硫化钼粉末均匀置于真空蒸镀室的蒸发舟中．将真空蒸镀室的真空度设为5.0×10-4pa，对系统进行抽真空操作．待真空度抽至工作压强后增加蒸发器的电流，每增加50 A暂停1 min，直到190 A时停止增加电流，并在该电流下继续蒸镀5 h后即制成了所需的可饱和吸收体．如图1所示，通过测试可饱和吸收体的紫外-可见-近红外透射谱发现，在1 064 nm附近二硫化钼可饱和吸收体的透过率为91.7% 左右．

图1 二硫化钼可饱和吸收体的紫外-可见-近红外透射谱

图2 调Q实验装置图

2 调Q实验研究

调Q实验装置如图2所示．激光器的谐振腔为简单的平-平腔，谐振腔腔长为18 mm．实验用的泵浦源为光纤耦合半导体激光器(中心波长为808 nm)．经光纤导入聚焦系统后把泵浦光聚焦到增益介质上．系统所用的增益介质为Nd：GYSGG,尺寸为3×3×5 mm3．晶体侧面用铟箔包裹，晶座用22℃的水冷却．如图中所示，平镜M1为输入镜，镜面镀有对808 nm高透和1 064 nm高反的光学薄膜．输出镜OC(Output Coupler)是平面镜，对1 064 nm激光的透过率为3%．实验中利用激光功率计(LP-3C)记录激光器的输出功率．利用快速光电管(ET-3000)和示波器(Agilent DSO54832b)记录脉冲序列和单脉冲波形，示波器的带宽为1 GHz，采样率为4 GSa/s．

图3 (a)调Q运转时泵浦功率与输出功率的关系;(b)调Q运转时脉冲宽度和重复频率随泵浦功率的变化关系

图4 调Q运转时的输出光谱

首先，调整晶体及腔镜的位置，实现激光器连续运转．然后将二硫化钼可饱和吸收体插入谐振腔中，调节可饱和吸收体的位置，即可得到稳定的调Q脉冲输出．图3(a)给出了输出功率随泵浦功率的变化规律．从图中可以看出单脉冲能量随着泵浦功率的增加而增加．当泵浦功率为4 W时，得到最大单脉冲能量为4.9 μJ，调Q运转的最大输出功率为0.25 W．相应的光光转换效率分别为6.25%．在泵浦功率从3 W增加到4 W过程中，单脉冲能量范围变化为3.7-4.9 μJ．

激光的脉冲宽度和重复频率随着泵浦功率的变化曲线如图3(b)所示 ．从图3(b)可以看出激光的重复频率会随着泵浦功率的增加而增加，但脉冲宽度会随着泵浦功率的增加而减少．当泵浦功率为4 W时测得最短脉冲宽度为831 ns，其对应脉冲序列的重复频率为51 kHz．

图4为利用光谱仪(HR2000+)测得调Q运转时的输出光谱．从光谱看出，激光器以双波长运转．振荡的两条谱线分别位于1 057.28 nm和1 060.65 nm，两谱线的间隔为3 nm．实验过程中发现两波长能够保持稳定振荡，两光强度大致相等，但是由于模式竞争，两个峰的相对强度略有抖动．

图5 (a)调Q脉冲序列;(b)调Q单脉冲波形

图5(a)和图5(b)分别为调Q运转的脉冲序列和单个脉冲波形．实验过程中，通过示波器观测，激光器的调Q运转非常稳定，脉冲抖动很小．当泵浦功率为4 W，输出率为3%时，获得的脉冲宽度为831 ns，重复频率为51 kHz，对应的单脉冲能量4.9 μJ．

3 调Q锁模实验研究

图6 调Q锁模实验装置图

利用MoS2作为可饱和吸收体对Nd：GYSGG晶体的锁模特性进行了研究．锁模实验装置如图6所示，采用Z型腔，腔长约为1.8 m．泵浦光通过聚焦系统入射到晶体内，晶体两面均镀有1 064 nm和808 nm增透的光学薄膜．图6中所示的 M和OC是平镜，平面镜M镀有1 064 nm高反膜和808 nm高透膜，M1和M2是曲率半径为400 mm的凹面镜，镜面镀有1 064 nm高反膜，输出镜OC对1 064 nm激光的透过率为3%．

泵浦功率为4W时，激光器以调Q锁模运转．随着功率的增加激光器并未有实现连续锁模运转．调Q锁模脉冲包络和包络中的调Q锁模脉冲序列分别如图7(a)和7(b)所示．在调Q包络中的锁模序列重复频率为83 MHz．

由于激光器处于调Q运转，无法直接进行脉冲宽度测量，因此对其进行了估计运算．锁模的脉冲宽度用下面的公式计算[17,18]

其中treal为实际脉冲的上升沿时间，tmeasure为测量到的脉冲的上升沿时间，tprobe是光电管自身的上升沿时间，toscilloscope指的是示波器的上升沿时间．在我们的实验中，脉冲的平均上升沿时间为 0.57 ns，示波器的上升沿时间是0.28 ns 光电管自身的上升沿时间是0.175 ns．脉冲宽度一般为上升沿时间的1.25倍，所以脉冲宽度约为260 ps.

图7 (a)调Q脉冲包络；(b)调Q锁模序列

4 结论

利用真空蒸镀法制备了二硫化钼可饱和吸收体，并利用其在Nd:GYSGG激光器上实现了1 057.28 nm和1 060.65 nm双波长调Q及调Q锁模运转．在泵浦功率为4 W时，测得调Q运转时的最大输出功率为0.25 W，光光转化效率为6.25%，并获得了脉冲宽度为831 ns，单脉冲能量为4.9 μJ的单脉冲激光．在泵浦功率为4 W时，获得了脉冲宽度约为260 ps调Q锁模脉冲序列，最大输出功率为0.167 W，光光转换效率为3.96%．实验表明二硫化钼可饱和吸收体是非常有潜力的锁模器件，通过进一步优化制备工艺一定能实现稳定的连续锁模运转．

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Passively Q-switched and Mode-locked Nd:GYSGG Laser Using Molybdenum Disulfide(MoS2) as a Saturable Absorber

WANG Bei-bei GAO Ya-jing GAO Cong-cong ZHANG Bing-yuan

(School of Physics and Information Engineering，Liaocheng University，Liaocheng 252000，China)

Passively Q-switching and mode-locking performance of Nd:GYSGG crystal using molybdenum disulfide (MoS2) as a saturable absorber at 1057.28 nm and 1 060.65 nm was demonstrated for the first time. The few-layer MoS2saturable.absorber was prepared by Vacuum evaporation deposition on glass.Employing MoS2as saturable absorber,stable Q-switching and Q-switched modelocking operation was achieved.At the pump power of 4 W,the Q-switched laser pulse width is 831 ns,the rapetition rate is 51 kHz.The optical-optical conversion efficiency is 6.25%.With the pump power of 4 W,the Q-switched modelocked laser pulse width is about 260 ps,and the optical-optical conversion efficiency is 3.96%.

passivelyQ-switched, MoS2saturable absorber, Nd:GYSGG crystal ,dual wavelength outputs

2017-02-19

国家重点研发计划(2016YFB0402105);山东省自然科学基金资助课题(ZR2014FL030)和泰山学者特别建设项目基金资助

张丙元,E-mail:byzhang@lcu.edu.cn.

TN243

A

1672-6634(2017)02-0030-05