石墨烯被動調Q光纖雷射器研究新進展

2020-12-22 OFweek維科網

　　2013 年，H．Ahmad 利用光學沉積法，直接將氧化石墨烯沉積在光纖端面上，做成「三明治」結構飽和吸收體，獲得了1941．7 nm 脈衝光纖雷射器，輸出功率0．3 mW，重複頻率16．0 kHz，脈衝寬度9．8 μs。2014 年Norazlina Saidin 等石墨烯PVA 薄片放置兩個光纖端面之間構成「三明治」結構飽和吸收體實現了1900 nm 脈衝光纖雷射器，輸出功率僅為1 mW，重複頻率13．1 kHz，最窄脈衝寬度16．9 μs。同年Yizhong Huang 等採用CVD 生長的單層石墨烯轉移到光纖端面上，構成全光纖「三明治」結構，實現了1980 nm 脈衝雙包層光纖雷射器，平均功率28．6 mW，重複頻率27 kHz，脈衝寬度2．7 μs。

　　3.3 摻Yb3 + 光纖雷射器

　　脈衝摻Yb3 + 光纖雷射器是波長為1．0 ～1．2 μm 的通用雷射光源，Yb3 + 具有相當寬的吸收帶( 800 ～ 1064 nm) 泵浦源的選擇廣泛。2011 年劉江等報導了石墨烯被動調Q 摻鐿1064 nm 雙包層光纖雷射器。他將寬帶全反鏡浸入到石墨烯PVA 溶液中充分接觸，並乾燥，製備了反射式飽和吸收體。此反射鏡與光纖Bragg 光柵構成了線性諧振腔。最大輸出功率為12 mW，最窄脈衝寬度70 ns，重複頻率為257 kHz。2012 年L． Zhang 等採用雷射誘導沉積的方法製備了「三明治」結構飽和吸收體，獲得了保偏1027．3 nm 全光纖雷射器。平均功率為15．6 mW，重複頻率110 kHz，脈衝寬度1．3 μs。

　　2013 年Zhehua Yu 等報導了W 級氧化石墨烯被動調Q 雙包層1044 nm 光纖雷射器。飽和吸收體採用的是「三明治」結構： 首先將石英薄片浸入到氧化石墨烯溶液中，蒸發； 氧化石墨烯就會沉積在薄片兩側； 擦掉一側的氧化石墨烯，並鍍上高反膜，即形成反射式飽和吸收鏡； 然後在氧化石墨烯的上面附上石英薄片即構成「三明治」結構，如圖5 所示。此結構可以有效地減少空氣中氧氣對氧化石墨烯的影響，極大地提高損傷閾值。當泵浦功率為7．8 W 時，可以獲得平均輸出功率1．8 W，重複頻率215 kHz，脈衝寬度為1．7 μs 的脈衝雷射。

　　2014 年吳健等將CVD 法生長的單層石墨烯轉移到光纖端面上，構成全光纖「三明治」結構，獲得大脈衝能量雙包層光纖雷射器，平均功率為46 mW，重複頻率26．46 kHz，脈衝寬度4．5 μs。張麗強直接採用SiC 外延生長的石墨烯作為調Q 開關，獲得可調諧被動調Q 雙波長光纖雷射器。輸出功率35 mW，重複頻率53．04 kHz，脈衝寬度1．60 μs。採用石英濾光片可以實現1038．54 ～ 1056．22 nm 連續調諧。

　　3.4 Er∶Yb 共摻雜光纖雷射器

　　2013 年Y．K．Yap 等採用光學沉積和光鑷效應，將石墨烯沉積在光纖端面上，製作了「三明治」結構的石墨烯飽和吸收體。採用Er∶Yb 共摻雜光纖作為增益介質，首次採用簡單的線性諧振腔，獲得了1535 nm 被動調Q 光纖雷射器。輸出功率25 mW，重複頻率70 kHz，最大單脈衝能量184 nJ。

　　2014 年吳端端將CVD 製作的單層石墨烯轉移到光纖端面上，製作了「三明治」結構的飽和吸收體，實現了Er∶Yb 共摻雜雙包層被動調Q 全光纖雷射器。單脈衝能量高達1．05 μJ，輸出功率25．6 mW，最窄脈衝帶寬2．6 μs； 並且通過可調諧FP 濾光片，可以實現1530．97 ～ 1546．92 nm。同年該作者採用一個同樣的飽和吸收體，實現了1．53 μm 脈衝Er 光纖雷射器與1．06 μm 脈衝Er∶Yb 共摻雜光纖雷射器同步雙波長輸出，如圖6 所示。波長1．06 μm 的單脈衝能量高達5．30 μJ，波長1．53 μm 的單脈衝能量達到1．20 μJ。Er∶Yb 共摻雜光纖雷射器的輸出功率為33．5 mW，脈衝寬度3．9 μs； Er 光纖雷射器輸出功率106．2 mW，重複頻率20． 03 kHz，最窄脈衝寬度3．1 μs。

　　4 石墨烯調Q 光纖雷射器的發展趨勢

　　隨著光纖雷射器與石墨烯技術的進步，石墨烯被動調Q 光纖雷射器呈現出新的發展趨勢。

　　4.1 性能優良飽和吸收體的製作

　　被動調Q 光纖雷射器，需要插入損耗小、性能穩定、損傷閾值高、耦合效率高的石墨烯飽和吸收體。這需要在石墨烯製作的過程中，儘量減少缺陷和雜質。很顯然，性能優良的石墨烯飽和吸收體是被動調Q 光纖雷射器發展的關鍵。如採用超聲波轉移法替代PMMA 轉移法製作的單層石墨烯石英片，「褶皺」( wrinkles) 和缺陷更少，相應的散射損耗和吸收損耗更少。

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    主動調Q全光纖雷射器的發展評述        調Q 光纖雷射器的研究始於20 世紀80 年代中期。人們最先把已有的體Q 開關應用於光纖雷射器，由於體Q 開關與光纖和腔鏡的耦合效率較低，再加之耦合時需要透鏡等分立式的光學元件，調Q 光纖雷射器的實驗裝置顯得比較複雜，光路對準值誤差敏感，系統的失調靈敏度也較高。避免上述問題的根本途徑就是研究開發調Q 全光纖雷射器。
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