納米科學：石墨烯可為光譜學和生物醫學應用提供超快雷射脈衝！
石墨烯旗艦研究人員開發出一種光纖雷射器，其發射的脈衝持續時間僅相當於所用光的幾個波長。這種基於石墨烯的有史以來最快的器件將非常適用於超快光譜學和外科雷射器，可避免對活組織造成熱損傷。
先進的光子學應用，如高速光譜學，需要超短脈衝，以捕獲所研究材料中的瞬態物理現象。實際上，這意味著飛秒（10-15s）範圍內的雷射脈衝。這種應用的一個例子是光化學弛豫過程的泵浦 - 探針光譜。
劍橋石墨烯中心的光子學團隊負責人，以及基於石墨烯的雷射研究項目的負責人丹尼爾波帕說：「當設計光線以超短脈衝傳播時，重要的是要了解它的波動特性。」「對於光線如同在拉伸的繩索上的機械波一樣傳播，最短的脈衝由單波振蕩定義。
時間解析度受所用雷射脈衝長度的限制。脈衝越短，光譜解析度越高，由所採用的特定光頻率的周期長度限定的最高可能解析度。在可見光和近紅外區域中，大多數超快雷射器工作，最終脈衝持續時間在2到5飛秒之間。較短的脈衝需要較短的波長。
除了理論上的限制之外，可以使用稱為被動鎖模的技術從雷射腔產生短至兩個周期的脈衝。鈦藍寶石雷射器在世界各地的光子學實驗室中很常見，可以在800納米的波長下產生5飛秒長度的脈衝，相當於不到兩個周期。但是，這些脈衝不可調。通過利用光學參量放大器中的非線性效應可以實現可調節的幾周期脈衝，但是實際的布置往往是複雜且昂貴的。
光纖雷射器是超短脈衝發生的有吸引力的平臺，因為它們具有簡單，緊湊和經濟的設計，高效的散熱和無需校準的操作，不需要龐大的光學設置。對於基於光纖的振蕩器，可以通過被動鎖模生成超短脈衝，這需要一個稱為可飽和吸收器的非線性元件。石墨烯具有製造這種可飽和吸收體的理想物理性質。
之前已經展示過基於石墨烯的鎖模雷射器，但是這種新穎的二維材料在緊湊的全光纖設置中的應用標誌著Popa及其同事的工作。最近在「應用物理快報」雜誌上發表的一篇論文概述了他們的進步，其中第一作者是博士生David Purdie。
對於光纖雷射器，通常通過孤子模式鎖定產生飛秒脈衝。孤子是一種自增強孤立波，當它沿著諸如光纖的波導以恆定速度行進時，其保持其形狀而沒有失真。孤子是在波導介質中相互抵消的色散和非線性效應的結果，從而允許穩定的脈衝包絡傳播。
全光纖格式在成本，緊湊性和堅固性方面是優選的，並且這裡的策略是使用基於正和負色散光纖的交替段的腔，其導致脈衝的周期性變寬和壓縮，關鍵是當其持續時間最小時從這樣的腔中提取脈衝，並且峰值功率因此最大。由於提取脈衝的高峰值功率，可以通過外部光纖長度內的非線性光學效應產生新的頻率分量，並且這些在進一步減小脈衝長度時是關鍵的。這是基於頻率和時域之間的波數學關係，稱為傅立葉變換。為了實現物理形式的這種轉換，研究人員設計了一條色散延遲線，將新創建的頻率成分摺疊成單脈衝。
石墨烯旗艦研究人員的設置僅基於標準電信設備，具有基於石墨烯和聚乙烯醇（PVA）複合材料的可飽和吸收劑，通過低成本溶液處理製造，石墨烯片通過超聲波攪拌從塊狀石墨中剝離。解決方案。蒸發留下50微米厚的石墨烯-PVA複合材料，然後將其夾在光纖連接器之間，通過這種設置，Purdie和他的同事能夠產生29個飛秒脈衝，這相當於在1.5微米波長下少於6個周期。
補償高階非線性和色散效應應該導致更短的脈衝長度，並且使用更高功率的二極體或雙泵浦配置可以產生更高的帶寬脈衝以及增加的輸出功率。最後，光子晶體光纖的添加原則上可以允許在其他波長處產生類似的短雷射脈衝，這個項目真正值得注意的是，石墨烯與現成光纖的結合非常緊湊，」Popa說。「通過這種方式，我們可以產生僅持續幾個周期的光脈衝，或十億分之一秒的十億分之一。