基于二硫化钨纳米材料的全固态脉冲激光器研究

2020-08-07孔春霞刘海洋季晓炜

激光与红外 2020年7期

孔春霞,罗云,刘海洋,季晓炜,张雪

(1.南京信息工程大学环境科学与工程学院,江苏南京 210044；2.南京信息工程大学电子与信息工程学院,江苏南京 210044)

1 引言

全固态脉冲激光器在激光手术、信息存储、遥感技术、通讯等领域有着广泛的应用[1-2]。目前,基于不同的可饱和吸收体(Saturable Absorber,SA)的被动调Q技术是获得窄脉宽、高能量脉冲激光输出的重要手段。采用被动调Q技术的全固态脉冲激光器具有结构紧凑、脉冲激光输出稳定性更高、光束质量更好等优点。因此,如何利用被动调Q技术来获得窄脉宽、高能量脉冲激光输出成为当下的研究热点[3-4]。SA作为全固态脉冲激光器的关键器件,如何选择一个性能优异的SA是获得理想被动调Q脉冲激光输出的前提。传统的SA有半导体可饱和吸收镜(SESAMs)[5-9]和碳纳米管(CNTs)[10]。SESAMs具有制作工艺复杂、材料成本昂贵、波长范围窄以及CNTs的直径参数不可控,这些缺陷限制了它们在脉冲激光领域中的应用[11]。

近年来,新型二维材料作为SA应用于光纤/固体激光器中来获得脉冲激光输出的报道层出不穷,引起了科研工作者们广泛的关注。石墨烯是最早被发现并成功应用于激光器中获得脉冲激光输出的一种二维材料[12-13]。然而,石墨烯具有零带隙的缺陷,这极大地限制了其在脉冲激光领域中的应用。与石墨烯相比,WS2作为一种典型的过渡金属硫化物(Transition Metal Dichalcogenides,TMDs)具有独特的“三明治”结构、可调控的能带隙、载流子迁移率高、非线性敏感性高等优点,有效地弥补了石墨烯的零带隙缺陷。除此之外,本征态的WS2为双极性半导体,这些特性使其有望在电子电路、光电探测以及光伏器件等领域有着广泛应用[14]。2015年,Zhao等人将单层WS2作为SA,在Nd∶GdVO4固体激光器中获得脉冲宽度为110 ns和平均输出功率为0.18 W的脉冲激光[15]。2016年,Cheng等人利用WS2-SA,首次在640 nm波段实现蓝色二极管泵浦的Pr∶LiYF4被动调Q脉冲激光输出,其脉冲宽度为630 ns,最大平均输出功率为21.5 mW[16]。2017年,Tang等人利用WS2-SA,在二极管泵浦的YVO4/Nd∶YVO4激光器中,获得了最短脉冲宽度为56 ns,最大输出功率为1.36 W,峰值功率高达23.6 W的脉冲激光输出,这也是二维材料实现调Q脉冲激光输出的最短脉冲宽度[17]。2019年,Ma等人将WS2-SA应用于二极管泵浦的Nd∶GdLaNbO4激光器中,在优化激光参数后,获得了连续波最大输出功率为4.37 W,斜率效率为42 %,这是目前为止最高的输出功率。插入WS2-SA后,获得的最短脉冲宽度为895 ns,重复频率为162 kHz[18]。

本文采用锂离子-插层法制作了WS2纳米片溶液,经超声、离心、旋涂、烘干等流程制备了性能优良的WS2-SA。利用Raman和AFM法对WS2-SA进行系统表征分析,结果表明其表面薄膜具有少层片状二维结构。实验将WS2-SA作为调Q器件应用到Nd∶YVO4全固态激光器中,通过优化谐振腔的参数以及结构,当吸收泵浦功率为1.42 W时达到出光阈值。增加吸收泵浦功率至8.16 W时,获得了脉冲宽度为358 ns、重复频率为1.4 MHz、最大平均输出功率为570.4 mW的脉冲激光输出,其相应的信噪比为39 dB。

2 WS2-SA的制备与表征

采用锂离子-插层法制作了少层WS2纳米片溶液,其制作过程如下:将WS2粉末倒入正丁基锂的正己烷溶液中,使其在氩气环境下常温反应2 d；过滤并收集出插层混合物LixWS2,用正己烷溶液对其进行洗涤,去除多余的Li离子和残留物质；将洗涤过的LixWS2放入去离子水中,使用超声仪进行超声剥离、离心洗涤,即可得到WS2纳米片溶液。WS2-SA的制备过程如下:将WS2纳米片溶液和无水乙醇按1∶10的比例在烧杯中进行混合(WS2取1 mL,无水乙醇取10 mL),得到一定浓度的悬浊液,并将其放置于超声池中超声1.5 h；取出超声后的溶液,在转速为1200 rpm的离心机中离心20 min,除去部分残留物质；取适量上清液滴至15 mm×15 mm的方形石英片进行旋涂,通过加热平台烘干,即可得到WS2-SA。

图1 WS2-SA的表征图

3 WS2-SA的光电特性研究

3.1 谐振腔设计

实验采用结构简单、紧凑的平-平直线腔,如图2所示。整个激光器系统由光纤耦合半导体激光器、耦合透镜组、Nd∶YVO4晶体、WS2-SA、平面输出镜OM组成,激光谐振腔的腔长设计为56 mm。采用中心波长为808 nm的半导体激光器作为泵浦光源,该激光器的最大输出功率为20 W,光纤的芯径400 μm,数值孔径为0.22。泵浦光经过1∶1耦合透镜组聚焦到Nd∶YVO4晶体上,光斑半径为200 μm。Nd∶YVO4晶体的尺寸为3 mm×3 mm×5 mm,Nd3+掺杂浓度为0.5 %,用铟箔包裹放在紫铜水冷装置中,通过激光恒温冷却器(深圳科力达 KLD-LC16-FRH/L)控制Nd∶YVO4晶体的温度在25 ℃左右,Nd∶YVO4晶体的S1端面镀有808 nm的增透膜和1064 nm的高反膜,充当输入镜,S2端面镀有1064 nm的增透膜；平面输出镜OM镀有1064 nm的透射膜,透过率为5 %。使用光电探测器和数字示波器对激光器输出的脉冲激光进行扫描和记录。

图2 基于WS2-SA的被调Q激光器实验装置图

3.2 实验结果与分析

实验首先研究了1064 nm波段连续光的性能,激光阈值为1.02 W,平均输出功率与泵浦吸收功率成线性关系,当泵浦吸收功率增加至8.16 W时,最大平均输出功率为760.7 mW,如图3(a)所示。随后,研究激光器的调Q性能,将WS2-SA插入谐振腔中(如图2所示),当吸收泵浦功率为1.44 W时,出现调Q现象,激光阈值相比连续光较高是因为激光在WS2-SA上有损耗。其平均输出功率同样随吸收泵浦功率的增加而增加,在吸收泵浦功率为8.16 W时,激光器最大平均输出功率为570.4 mW。图3(b)显示了脉冲宽度和重复频率与吸收泵浦功率之间的关系,即脉冲宽度随吸收泵浦功率的增加而减小,重复频率随吸收泵浦功率的增加而提高。当吸收泵浦功率从1.44 W增加到8.16 W时,相应的脉冲宽度从1.2 μs压缩到358 ns,重复频率从275 kHz提高到1.4 MHz。导致脉冲宽度不断压缩的原因是随着吸收泵浦功率的增加,腔内光子数密度不断增加,饱和吸收体漂白变快,调Q时间变短。继续增加吸收泵浦功率,脉冲宽度可以继续被压缩,但考虑到功率过高会损伤晶体,便没有继续进行实验。

图3 不同参数与吸收泵浦功率关系曲线

实验使用光电探测器和数字示波器对激光器输出的脉冲激光进行扫描和记录,图4(a)和4(b)分别是数字示波器扫描时间为2 μs和200 ns时的脉冲波形图。图4(a)显示所获得的调Q脉冲激光输出存在轻微的波动主要是由于在激光器长时间的运转过程中,Nd∶YVO4晶体内只有部分泵浦能量转化为激光,而其他能量会转换成热能,产生热效应现象,直接导致激光器谐振腔轻微的不稳定。

实验使用频谱仪(型号为ESAd402B)测量了调Q脉冲激光的频谱,如图5(a)所示,当频率为1.4 MHz时,信噪比高达39 dB,说明调Q脉冲较为稳定。图5(b)是使用光纤光谱仪(型号为Seemantech S3000-VIS)测量得到的激光中心波长为1064.04 nm,带宽为0.96 nm的光谱图。为检测此脉冲激光器在长时间工作下平均输出功率的稳定情况,实验过程中保持吸收泵浦功率为6.25 W,用功率计记录了120 min内激光器平均输出功率的变化情况,如图4所示,其变化幅度低于5 %,表明激光器输出的脉冲激光较为稳定。图6中个别数据有所浮动是因为在系统内部采用了激光恒温冷却器来控制Nd∶YVO4晶体的温度,然而,激光恒温冷却器工作时,水泵抽取冷却水会发生抖动对激光谐振腔的稳定产生一定的影响。