咨询电话:021-58952328
石墨烯饱和吸收体2018-02-01

激光二极管泵浦的锁模激光器具有高峰值功率和超短脉冲的特点,已经被广泛应用于激光加工,非线性光学频率变换,激光通信,医疗等领域。传统上,超短脉冲是采用半导体可饱和吸收镜( SESAM)锁模的激光器来获得。然而, SESAM 的制造需要昂贵和复杂的制造工艺,如金属有机物化学气相沉积( MOCVD),或分子束外延(MBE)。此外, SESAM 可饱和吸收带的宽度受腔内非线性特性和布喇格反射镜反射率的限制,对激光的调制只对应单一的波长。后来,人们发现,稳定的锁模光纤激光器和固态激光器可通过碳纳米管( CNTs)的调制来实现。通过调节碳纳米管的管径,可获得 1–2μm 宽的可饱和吸收带。然而,碳纳米管粗糙表面以及内部缠绕的结构对入射光造成强烈
的散射,从而导致较高的插入损耗。因此,人们需要寻找一种新型的可饱和吸收材料,使其具有成本低,吸收带宽, 低损耗的特点。

最近的研究表明,石墨烯可作为脉冲激光的调制元件。与以往的可饱和吸收体相比,石墨烯的吸收损耗较低,每一层石墨烯仅有 2.3 %的吸收损耗。此外,石墨烯具有许多其它优点,如饱和光强度低,调制深度大,损伤阈值高,恢复时间快等特点。 更重要的是,由于石墨烯的零带隙结构,可以实现全频带的调制,适用于工作在不同的波长的激光器。最近,工作在 1.0、1.5 μm附近的石墨烯锁模光纤激光器已被证明。然而,锁模光纤激光器的输出功率较低,一般在几十毫瓦的量级。为了获得更高的输出功率,人们对石墨烯锁模的全固态的固体激光器进行了研究,实现了几百毫瓦的功率输出。然而,在这些工作中所使用的石墨烯是通过氧化还原方法得到,石墨烯饱和吸收体是通过几微米到几十微米的石墨烯薄片拼接而成的。石墨烯的的层数既不明确也不可控,这不利于锁模固态激光器性能的提高。

科研工作者采用化学气相沉积( CVD)技术在铜箔上制备了高品质的单层石墨烯薄膜,将其转移到单晶C面的石英基片上,制备了石墨烯饱和吸收体。由于生长的为单层石墨烯,可通过转移次数精确控制石墨烯的层数。使用这些饱和吸收体,我们在Nd: YVO4激光器上实现了稳定的Q锁模,在 6.0 W的泵浦功率下,得到了 1.6 W的平均输出功率,实
现了瓦级的激光输出。

石墨烯可饱和吸收机理

当强光穿过石墨稀时, 石墨稀对光的吸收不再是线性的, 而是非线性的依赖于光强,随着光强的增加,石墨烯的吸收在经历一段非线性上升后缓慢达到饱和,这种光吸收的现象称为可饱和吸收。这个吸收过程可用图1 来说明。如图 1 (a),最初时刻,价带上的电子吸收了入射光子的能量跃迁到导带。而后,载流子能量降低到平衡态 (图 1 (b) 所
示)。电子是费米子, 遵循泡利不相容原理, 占据导带上能量最低的状态。同时,价带的电子也将重新分布到最低能量状态, 而空穴占据高能量的状态。这个过程同时伴随着电子−空穴复合和声子散射。 如果光能量足够强时,电子跃迁的速率大于带间弛豫速率,电子吸收的光子能量对应的激发态以下的能态都被填满, 带间跃迁被阻断, 这种泡利阻断效应使石墨烯被漂白,使脉冲中能量较高的部分在漂白时间内无损耗通过。

图1 石墨稀可饱和吸收过程( a)受光激发电子的带间跃迁( b)载流子热平衡过程( c)带间跃迁阻断石墨烯被漂白

在上述电子被激发到导带后的动力学过程中存在两个超快的弛豫时间: 带间跃迁弛豫时间和带内载流子散射和复合弛豫时间。前者为 0.4~1.7 ps, 能够起到启动锁模的作用,后者为 70~120 fs,可以有效压缩脉宽,稳定锁模。

 

石墨烯

最新产品
园区介绍