王金章,蔡志平,羅正錢,許惠英

(廈門大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,光電子技術(shù)研究所,福建 廈門 361005)

脈沖激光器已經(jīng)成為激光制造加工業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備之一[1-3],囊括了科學(xué)研究、商業(yè)及工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用．隨著調(diào)Q和鎖模技術(shù)以及增激光增益介質(zhì)的不斷發(fā)展,已可從許多不同波長的激光系統(tǒng)中獲得脈沖輸出．目前的主要前沿技術(shù)問題是制作結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)固、低廉及更加實用的激光源．其中,光纖激光器由于具有簡單和緊湊的結(jié)構(gòu),高效散熱方式,高穩(wěn)定性,好的光斑質(zhì)量,并且不需復(fù)雜的準直操作等優(yōu)點而倍受關(guān)注[2,4-5]，它們獨特的幾何結(jié)構(gòu)是其能夠適用于大范圍商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵因素.

另一方面,脈沖產(chǎn)生有主動及被動2種方式,主動調(diào)制需要在激光腔中外加調(diào)制器(聲光/電光調(diào)制器)實現(xiàn),這既增加了系統(tǒng)成本,也降低了系統(tǒng)便攜性;而被動調(diào)制方式則無需任何外置器件,只需在腔內(nèi)加入一個幅度自調(diào)制器件即可滿足要求,因而得到了廣泛應(yīng)用．基于被動調(diào)制的優(yōu)點,目前大部分商用化脈沖光纖激光器都是采用被動方式實現(xiàn),其中最常見的2種被動調(diào)制方式是調(diào)Q和鎖模技術(shù),其關(guān)鍵技術(shù)是在腔內(nèi)加入可飽和吸收體(SA),從而起到幅度自調(diào)制的作用,即當輸入光強越強,SA吸收越小,有利于抑制連續(xù)波實現(xiàn)脈沖輸出．當前常見的SA包含染料、摻Cr4+晶體、半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM),以及最近新興的碳納米管(CNT)和石墨烯等[6]．相比其他類型SA,石墨烯因具有超快恢復(fù)時間以及超寬帶工作波長(覆蓋可見光到近紅外波段)兩個最主要的特性而獲得了廣泛研究[7],并具備成為未來新一代主力SA的潛力．在被動調(diào)Q光纖激光器方面,石墨烯的超寬帶工作波長是它最主要的優(yōu)勢;而在被動鎖模光纖激光器方面,除了超寬帶工作波長之外,它的超快恢復(fù)時間有助于獲得超窄脈沖輸出．

單層石墨烯是碳原子通過sp2雜化由碳六元環(huán)組成的二維(2D)周期蜂窩狀點陣結(jié)構(gòu),它的厚度只有碳原子尺寸大小,同時它可以翹曲成零維(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一維的碳納米管或者堆垛成三維(3D)的石墨(graphite),因此石墨烯是構(gòu)成其他石墨材料的基本單元[8]．石墨烯的基本結(jié)構(gòu)單元為有機材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán),是最理想的二維納米材料,由其組成的其他材料也具有極高的穩(wěn)定性．歷史上,二維石墨烯是一種即舊又新的材料,多年來石墨烯一直被認為擁有獨特能帶結(jié)構(gòu)以及有趣的半金屬電學(xué)性質(zhì)[9],但是純凈的單層石墨烯被認定為無法在自由空間狀態(tài)下存在．直到2004年,英國曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家Geim和Novoselov利用透明膠帶剝離石墨的方法成功制造了少層及單層石墨烯[10]．它們許多不尋常的物理性質(zhì)也在不久后紛紛被證實[7-8]．在本綜述中,我們介紹了石墨烯的基礎(chǔ)性質(zhì),包括制備方法、線性以及非線性光學(xué)特性,詳細介紹了目前石墨烯集成SA器件用于光纖激光器中的3種方法,并比較了各自的優(yōu)劣勢．最后回顧了目前石墨烯鎖模和調(diào)Q光纖激光器的研究進展,并指出了本課題組在這一領(lǐng)域所取得的成就．

1 石墨烯的制備及光學(xué)性質(zhì)

1.1 石墨烯的制備

單層石墨烯最早是用膠帶微機械剝離法從塊狀石墨上剝離出來,也稱作透明膠帶剝離法[10]．首先使用膠帶把石墨薄片分離成2片,并不斷重復(fù)這一動作從而不斷減小石墨薄片的厚度,直到獲得幾微米到幾毫米尺寸的少層甚至是單層石墨烯[7-8]．這種方法能夠提供最高質(zhì)量單層石墨烯,但是不適合大面積制備,目前只能作為實驗室小規(guī)模制備．另外一種能夠獲得大規(guī)模制備的剝離法是液相剝離法(LPE)[11],將少量的石墨薄片分散于溶劑中,利用超聲波作用破壞石墨層間的范德華力,此時溶劑可以插入石墨層間,進行層層剝離,制備出石墨烯,最后利用離心作用提純石墨烯．該方法獲得的石墨烯尺寸較小,一般都是微米級別,不過卻適合非線性光學(xué)應(yīng)用．

事實上,制備大規(guī)模大面積少層或單層石墨烯的最佳辦法是化學(xué)氣相沉積(CVD)[12],利用甲烷等碳化合物和氫氣在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成碳物質(zhì)沉積在金屬襯底表面,這種方法制備的石墨烯純度高,尺寸可控(取決于所用襯底尺寸)．此外,還有一種常見的適用于大規(guī)模制備的方法是氧化還原法(RGO)[13],將天然石墨與強酸和強氧化性物質(zhì)反應(yīng)生成氧化石墨,經(jīng)過超聲分散制備成氧化石墨烯(GO),加入還原劑去除氧化石墨表面的含氧基團,得到石墨烯,其性能與LPE方法制備的石墨烯相近．

以上4種方法是目前應(yīng)用最多的方法,然而在脈沖光纖激光器的應(yīng)用中,由于利用CVD方法制備具有單層性質(zhì)的多層石墨烯需要層層疊加,增加了制備的復(fù)雜度,而且轉(zhuǎn)移到光纖端面也較為困難,所以單層石墨烯主要采用LPE方法和RGO方法制備,雖然它們的尺寸較小(約1 μm)且分布不均勻,但是并不影響非線性光學(xué)性質(zhì),本課題組所用石墨烯正是基于RGO方法制備．

1.2 石墨烯的線性光學(xué)性質(zhì)

單層石墨烯是碳原子在二維平面上以六角蜂窩點狀結(jié)構(gòu)排列,其導(dǎo)帶以及價帶的頂端相互接觸,接觸點又稱為“狄拉克點”,在該點附近的能帶結(jié)構(gòu)稱為“狄拉克錐”,其能量以及態(tài)密度均為線性分布(見圖1中的內(nèi)嵌圖)．在光電方面的應(yīng)用一般只需考慮“狄拉克點”附近線性區(qū)域,正是這一特殊的能帶結(jié)構(gòu)衍生出了石墨烯獨特的電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)．

石墨烯在光學(xué)方面具有許多獨特不尋常的特性．盡管單層石墨烯只有單原子厚度,然而它獨特的電子能帶特性導(dǎo)致了石墨烯可以吸收部分入射光．單層石墨烯的透射率經(jīng)過計算得到如下結(jié)果:

T=(1-0.5πα)-2≈1-πα≈97.7%.

(1)

其中α是精細結(jié)構(gòu)常數(shù)(α=2πe2/hc≈1/137),該常數(shù)傳統(tǒng)上通常與量子電動力學(xué)聯(lián)系在一起,而非材料科學(xué)[14]．因此,2.3%的吸收僅僅是取決于通用的物理常數(shù)e,h和c．由于石墨烯的線性分布關(guān)系,2.3%的吸收是與波長獨立不相關(guān)的．而且,吸收會隨著層數(shù)的增加呈線性增加,這一結(jié)果暗示石墨烯的層數(shù)可以通過觀察石墨烯樣品的吸收譜獲得．圖1是本課題組所使用的RGO石墨烯的吸收譜,在500 nm以上具有均勻的吸收特性,并且吸收明顯大于2.3%,證明了該樣品是由許多單層石墨烯所構(gòu)成且其工作波長范圍覆蓋了可見光到近紅外波段．此外在500 nm以下處于非線性區(qū),因而方程(1)已不再滿足,表現(xiàn)了巨大的吸收特性.

圖1 RGO石墨烯樣品的光學(xué)吸收譜， 內(nèi)嵌圖：石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)Fig.1 The absorption spectrum of RGO-graphene. Inset: Band structure graphene

1.3 石墨烯的非線性可飽和吸收特性

SA是產(chǎn)生被動光脈沖的重要機理,其重要特征是具備非線性可飽和吸收特性．石墨烯的非線性可飽和吸收特性主要來源于泡利不相容原理，即每個量子態(tài)只能容納一個費米子．在原子中完全確定一個電子的狀態(tài)需要4個量子數(shù),所以泡利不相容原理在原子中就表現(xiàn)為:不能有2個或2個以上的電子具有完全相同的4個量子數(shù)．根據(jù)泡利不相容原理,石墨烯特定電子能級的態(tài)密度是一定的,因此每個電子能級上只能存在有限個電子,當某一波長光脈沖照射在石墨烯上時,若強度足夠強則價帶上對應(yīng)電子能級的電子受激躍遷到導(dǎo)帶上,并填滿導(dǎo)帶對應(yīng)的能帶區(qū)域,若此時價帶內(nèi)的電子不能快速弛豫恢復(fù),則在極短的時間內(nèi)價帶無法容納更多電子,因此對后續(xù)入射光無吸收作用,表現(xiàn)出可飽和吸收效應(yīng);若是光脈沖強度較低,只有部分電子受激躍遷到導(dǎo)帶內(nèi),則對后續(xù)光仍有一定的吸收作用,這就是可飽和吸收特性的定義．圖2是實驗中測量的石墨烯樣品的可飽和吸收特性,其飽和能量密度為60.7 μJ/cm2,調(diào)制深度為2.5%．

圖2 石墨烯樣品在1 550 nm波長處的透射率 與輸入脈沖能量密度的關(guān)系Fig.2 Measured nonlinear transmittance of graphene as a function of incident pulse fluence at 1 550 nm

事實上,任何具有能級電子躍遷特性的材料都具有可飽和吸收特性．然而,想要找到一種理想的具有可飽和吸收特性的材料作為可靠SA，則不是那么容易．為了能在腔內(nèi)輔助形成脈沖,SA參數(shù)受到嚴格的限制．例如,用于被動鎖模的典型SA飽和能量密度應(yīng)<100 μJ/cm2,超短脈沖輸出要求SA的恢復(fù)時間應(yīng)在幾皮秒到幾十飛秒的范圍內(nèi),另外工作波長也是主要的限制因素之一[15]．目前只有一小部分基于半導(dǎo)體材料的SA(如SESAM,CNT及石墨烯等)能夠用在被動鎖模激光器中．對比普通半導(dǎo)體材料,石墨烯具有超快的恢復(fù)時間,其初始的快速弛豫時間在70～120 fs,而較慢的弛豫時間在0.4～1.7 ps[16];文獻[17-18]通過實驗報道了石墨烯的可飽和吸收特性．其實不僅僅是恢復(fù)時間滿足超快脈沖形成條件,其他如飽和強度、調(diào)制深度等參數(shù)都表明石墨烯適合用于被動調(diào)Q或者鎖模．在1.2節(jié)中我們強調(diào)了單層石墨烯僅有2.3%的線性吸收,因此其調(diào)制深度無法超過2.3%,一般不到1%．為了滿足獲得較大的調(diào)Q脈沖能量以及實現(xiàn)自啟動鎖模的目的,SA通常需要較大的調(diào)制深度,對于石墨烯通常的做法是利用許多單層石墨烯疊加獲得大的調(diào)制深度．

2 石墨烯集成SA器件的方法

(a)三明治結(jié)構(gòu)；(b)光倏逝波耦合結(jié)構(gòu)； (c)波導(dǎo)內(nèi)部鑲嵌結(jié)構(gòu).圖3 石墨烯 SA器件不同的制備方法Fig.3 Integration schemes of graphene as SA devices

由于石墨烯是一種優(yōu)秀的SA,為了能夠應(yīng)用到激光器系統(tǒng)中,下一步工作是把石墨烯放入激光腔內(nèi),即構(gòu)成有效SA器件．在光纖激光器方面,目前存在3種主要的有效方法:所有光全部穿過SA層、SA層與倏逝波互相作用,以及SA集成在光纖或者波導(dǎo)內(nèi)部形成一個整體．圖3左邊一側(cè)給出了這3種方法的示意圖,而右邊則是對應(yīng)的常見結(jié)構(gòu)．第1種方法是最為簡單且有效的方法(圖3(a)),也是目前應(yīng)用最多的方法,把石墨烯薄層(或聚合物薄層)放在光纖端面上,并與另一個光纖端通過光纖適配器構(gòu)成“三明治結(jié)構(gòu)”．這種方法的主要問題是光學(xué)損傷,因為激光器腔內(nèi)的所有光都穿過SA層,一般只需要幾十毫瓦的功率即可在SA上產(chǎn)生熱量造成損傷,同時也會造成石墨烯氧化從而降低性能[19]．具體的損耗閾值主要取決于樣品結(jié)構(gòu)或聚合物材料等．另外2種方法(圖3(b)和圖3(c))具有更高的損傷閾值,圖3(b)利用倏逝場與石墨烯相互作用形成有效SA器件,由于僅有部分光與SA層相互作用,因而能承受更高功率,目前獲得有效倏逝場的主要結(jié)構(gòu)是D型拋光光纖[20-21]以及錐形光纖[22],D型光纖是在光纖側(cè)面上不斷研磨光纖包層直到接近纖芯為止,此時在纖芯內(nèi)的光會有部分泄露出來形成倏逝波,而錐形光纖是把普通光纖拉細造成光場泄露;圖3(c)是把石墨烯或CNT材料集成到光纖或者波導(dǎo)內(nèi)部形成一個整體,使用最多的是具有空氣洞的光子晶體光纖[23-24],只要灌入一小部分樣品即可構(gòu)成穩(wěn)定的SA結(jié)構(gòu),與倏逝波同樣的道理,只有在光子晶體光纖內(nèi)部空氣洞傳輸?shù)墓鈭霾艜c樣品相互作用,所以也具有更高的損傷閾值．雖然后2種方法具有更高的承受功率,然而因為只有一部分光與石墨烯相互作用,因此會降低有效的調(diào)制深度,并且操作難度更大,所以具體使用哪種方法應(yīng)視具體情況而定．不過這幾種方法都有一個巨大的優(yōu)點就是能夠使光纖激光器具有全光纖結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,因而能最優(yōu)化光纖激光器的穩(wěn)定性能．

圖3給出的是SA器件集成到光纖激光器上的方法,現(xiàn)在遺留的問題是如何有效地把石墨烯轉(zhuǎn)移到光纖端面或者光纖側(cè)面．最早使用的方法是噴霧法(spraying method)[25],把制備的溶液噴灑在光纖端面或者側(cè)面,蒸發(fā)后因為范德瓦爾斯力的作用而緊緊貼在端面或者側(cè)面上,后來開始利用光學(xué)沉積的方法[20-22]成功把SA轉(zhuǎn)移到光纖上．為了使操作更簡單有效,最近大量發(fā)展利用高分子材料與SA樣品混合形成復(fù)合材料薄膜[26-27],只需剪下一小塊薄膜夾在光纖連接頭內(nèi)或者貼在光纖側(cè)面上就能形成可靠的SA器件,其缺點是聚合物的損傷閾值通常要比SA材料低一些,因此SA薄膜的損傷性能主要取決于聚合物材料,然而對于一般的激光器而言已經(jīng)足夠．

通過本節(jié)的分析發(fā)現(xiàn),基于石墨烯的SA器件制備具有操作簡單及方法多樣性等優(yōu)點．此外,它們不僅可以做成透射型器件,只要將樣品鍍在反射鏡上也能形成反射型器件,這種方法多用于固體激光器中,而目前最常用的SESAM則是一種反射型器件,因而在光纖激光器中的應(yīng)用不如石墨烯廣泛．

3 石墨烯鎖模光纖激光器的研究進展

石墨烯作為一種可靠有效的SA最早是由劍橋大學(xué)Sun等[28]以及新加坡國立大學(xué)Bao等[29]于2009年幾乎同時提出,他們利用石墨烯均成功獲得了鎖模光纖激光器運轉(zhuǎn),其中Sun等獲得了脈寬為460 fs,重復(fù)頻率為19.9 MHz的孤子鎖模輸出;Bao等獲得了脈寬為0.7 ps,重復(fù)頻率為1.79 MHz的孤子鎖模輸出．隨后石墨烯被廣泛應(yīng)用于鎖模光纖激光器中[21-24,30-53],涵蓋了目前最常見的光纖激光器輸出波長,包含1.0 μm[32,39],1.5 μm[21,30-31,33-34]以及2.0 μm[40],證明了石墨烯超寬帶工作波長特性．事實上,目前石墨烯鎖模光纖激光器最長工作波長是在固體激光器中產(chǎn)生,文獻[54]報道了石墨烯鎖模Cr:ZnSe固體激光器,其中心工作波長為2.5 μm,脈沖寬度為226 fs,重復(fù)頻率為77 MHz,平均輸出功率達到1.6 W;同樣的,最短的工作波長在800 nm附近,也是產(chǎn)生于固體激光器中[55]．在鎖模光纖激光器中,文獻[34]報道了采用拉伸脈沖鎖模技術(shù)實現(xiàn)了迄今為止最短脈沖寬度為174 fs的石墨烯鎖模光纖激光器;采用超長激光腔體結(jié)構(gòu),文獻[56]報道了單脈沖能量163 nJ的鎖模激光輸出;采用摻Y(jié)b光纖作為增益介質(zhì),文獻[32]報道了基于石墨烯的耗散孤子鎖模輸出,其輸出脈沖寬度為560 ps,脈沖重復(fù)頻率0.9 MHz,脈沖能量為0.41 nJ．在脈沖重復(fù)頻率方面,使用F-P腔構(gòu)建的光纖激光器獲得了10 GHz最高重復(fù)頻率的脈沖序列[44]．此外,采用摻Er及摻Tm光纖作為增益介質(zhì)構(gòu)成2個光纖諧振腔,并共享同一個石墨烯SA獲得了1.5及1.9 μm波段同時鎖模輸出[49]．這些都代表了目前石墨烯鎖模光纖激光器的研究水平．

值得一提的是,在2012年以前,絕大多數(shù)的石墨烯鎖模光纖激光器都是采用如圖3(a)的“三明治結(jié)構(gòu)”將石墨烯植入激光腔內(nèi)部．雖然該種方法操作簡便,但卻極易導(dǎo)致石墨烯熱損傷．為了保證石墨烯能夠更加安全且耐用,可采用倏逝波耦合結(jié)構(gòu)[22,57](圖3(b)),該結(jié)構(gòu)能承受更高的激光功率．Song等[21]把RGO制備的石墨烯溶液噴灑在一段D型結(jié)構(gòu)光纖上(見圖3(b)上圖)形成SA產(chǎn)生鎖模脈沖輸出,腔內(nèi)功率達到了21.41 dBm而未產(chǎn)生任何的熱損害,然而其具有偏振敏感性且不易控制插入損耗等缺點．廈門大學(xué)光電子技術(shù)研究所提出了采用熔錐光纖取代D型光纖結(jié)構(gòu)制備有效的石墨烯SA器件,進而消除偏振敏感特性,其制備方法如圖4(a)所示,采用光學(xué)沉積方法把石墨烯微米片吸附到熔錐光纖側(cè)面形成有效SA器件,圖4(b)是光學(xué)沉積方法的原理示意圖．利用該裝置我們最終成功獲得了1.5 μm鎖模輸出,實驗裝置圖如圖5(a)所示,其典型的輸出特性如圖5(b)～(e)所示,其中重復(fù)頻率為3.33 MHz,脈沖能量1.26 nJ,脈沖寬度為15.7 ps,最大腔內(nèi)功率達16.3 dBm,僅受限于最大泵浦功率．事實上,該裝置不僅具有可飽和吸收特性,還有重要的梳妝濾波特性,其主要源于熔錐光纖的模間干涉以及腔內(nèi)的雙折射效應(yīng)共同作用．基于此濾波效應(yīng)我們獲得了1.5 μm波段重復(fù)頻率8.034 MHz,脈沖寬度8.8 ps的四波長同時激射,波長間隔大約1.5 nm[45];此外,基于石墨烯的寬帶工作特性,該裝置成功應(yīng)用在1 μm波段的摻Y(jié)b光纖激光器中,獲得了雙波長[58]以及三波長[39]的鎖模耗散孤子輸出．

(a)熔錐光纖沉積石墨烯的實驗裝置；(b)基于石墨烯溶液 與倏逝波相互作用產(chǎn)生的光學(xué)沉積示意圖.圖4 熔錐光纖光學(xué)沉積石墨烯Fig.4 Optical deposition of graphene onto tapered fiber

4 石墨烯調(diào)Q光纖激光器的研究進展

被動調(diào)Q與被動鎖模的一個共同點是都要使用SA,然而被動調(diào)Q展現(xiàn)出了許多不同于被動鎖模的特征,它主宰著大脈沖能量、大脈沖寬度及低重復(fù)頻率領(lǐng)域,因此一般情況下它們對SA的參數(shù)需求也不一致．例如用于被動鎖模的超快響應(yīng)時間對被動調(diào)Q而言反而不利,會引起額外的飽和損耗,最佳的恢復(fù)時間應(yīng)與調(diào)Q脈沖寬度相當．雖然石墨烯的超快響應(yīng)時間對調(diào)Q脈沖輸出會產(chǎn)生不利影響,然而石墨烯能夠應(yīng)用于被動調(diào)Q的一個重要內(nèi)在優(yōu)點是超寬帶工作波長特性,這也是它廣泛應(yīng)用于被動調(diào)Q光纖激光器的主要原因,雖然其輸出性能不如一些傳統(tǒng)的方法,但可通過外部手段來改善,如采用光纖放大器增加輸出脈沖能量等．

2010年由廈門大學(xué)光電子技術(shù)研究所羅正錢副教授提出了石墨烯調(diào)Q光纖激光器[59],他采用光學(xué)沉積的方法把石墨烯吸附到光纖端面的纖芯部位(見圖6),通過控制沉積功率以及沉積時間可以獲得所需要的任意插入損耗,隨后利用圖3(a)的“三明治結(jié)構(gòu)”植入激光腔內(nèi)部,最終獲得穩(wěn)定的雙波長調(diào)Q脈沖輸出,其中心波長為1 566.17和1 566.35 nm,典型的輸出脈沖寬度3.7 μs,最大脈沖能量16.7 nJ．之后許多研究小組紛紛展開石墨烯調(diào)Q光纖激光器相關(guān)研究[60-67],激光器的輸出性能以及工作波長都不斷提升和擴展．文獻[60]報道了波長可調(diào)諧石墨烯調(diào)Q光纖激光器,獲得了波長調(diào)諧范圍1 522～1 555 nm可變的調(diào)Q脈沖輸出,脈沖寬度大約2 μs,最大脈沖能量達40 nJ．事實上,石墨烯不僅僅只有可飽和吸收效應(yīng),它還表現(xiàn)出了可觀的三階非線性效應(yīng)(如四波混頻效應(yīng)),可以輔助形成穩(wěn)定的多波長激射[68]．基于這一效應(yīng),我們報道了石墨烯引入的非線性四波混頻,以及其在1和1.5 μm波段上的應(yīng)用,最終在1.5 μm波段獲得了23個波長同時激射以及在1 μm波段5波長同時激射的調(diào)Q脈沖輸出[61]．

(a)被動鎖模EDFL實驗裝置示意圖;(b)輸出光譜;(c)示波器上鎖模脈沖序列;(d)鎖模脈沖基次諧波RF頻譜,fc=3.33 MHz, 內(nèi)嵌圖是寬帶RF頻譜;(e)脈沖自相關(guān)曲線及高斯擬合曲線.LD(laser diode)：激光二極管；GDTF(graphene-deposited tapered fiber)：沉積石墨烯的熔錐光纖；EDF(Erbium-doped fiber)：摻鉺光纖；SMF(single mode fiber)： 單模光纖；PC(polarization controller)：偏振控制器；FWHM(full width of half maximum)：全半寬高.圖5 典型的鎖模光纖激光器實驗裝置及輸出結(jié)果Fig.5 Typical setup of mode-locked fiber laser and output results

(a)光纖端面沉積石墨烯示意圖；(b)光纖端面在沉積 石墨烯之前；(c)光纖端面在沉積石墨烯之后.圖6 光纖端面沉積石墨烯Fig.6 Optical deposition of graphene onto fiber end face

在上一節(jié)的分析中知道,石墨烯鎖模光纖激光器的主要工作波段都集中在1.0和1.5 μm附近,在2.0 μm處也有少許報道[40,51,69]．與鎖模技術(shù)不同的是,石墨烯調(diào)Q光纖激光器在2 μm及以上的波段表現(xiàn)出了令人激動的優(yōu)異性能[63-67],這是由于調(diào)Q無需鎖模技術(shù)的色散補償,因而石墨烯的寬帶工作特性在調(diào)Q方面可以得到更加全面的研究．在這一領(lǐng)域,本課題組也采用了熔錐光纖結(jié)構(gòu)獲得了2 μm波段處能量達6.71 μJ的調(diào)Q脈沖[65],輸出能量較最早的調(diào)Q激光器得到了巨大的提升．國際上其他課題組也展開了大量的研究,尤其是在最近的一篇報道中[67],作者采用了CVD方法制備的單層石墨烯并應(yīng)用在2 μm的摻Tm光纖激光器中獲得了迄今為止最大的單脈沖能量18 μJ．在更長波長方面,Wei等[64]報道了2.78 μm摻Er:ZBLAN氟化物光纖激光器石墨烯調(diào)Q脈沖輸出,獲得了1.67 μJ的單脈沖能量以及2.9 μs的脈沖寬度;最近Zhu等[63]報道了3 μm波段的石墨烯調(diào)Q輸出,采用摻Ho:ZBLAN氟化物光纖作為增益介質(zhì),最終獲得了重復(fù)頻率100 kHz,脈沖寬度1.2 μs,脈沖能量1 μJ的調(diào)Q脈沖,這是迄今為止石墨烯SA的最長工作波長,有理由相信石墨烯甚至可以用在由Raman散射技術(shù)以及光參量震蕩技術(shù)產(chǎn)生的更長波段范圍內(nèi)．

5 總 結(jié)

在本綜述中,我們首先介紹了石墨烯的基礎(chǔ)性質(zhì),包括制備方法、線性以及非線性光學(xué)特性,隨后詳細介紹了目前石墨烯集成SA器件用于光纖激光器中的3種方法,并比較了各自的優(yōu)劣勢．在本文的最后回顧了目前石墨烯鎖模和調(diào)Q光纖激光器的研究進展,并指出了本課題組在這一領(lǐng)域所取得的成就．值得強調(diào)的是,石墨烯簡單的制備方法、易于集成有效SA器件、寬帶工作特性以及與光纖激光器的高度兼容性等特點,使得它能夠廣泛地應(yīng)用在脈沖光纖激光器中．未來的發(fā)展方向仍應(yīng)瞄準石墨烯的寬帶工作特性及其在光纖激光器方面的靈活性,另外,為能夠完全開發(fā)出石墨烯作為SA的優(yōu)點,必須要控制并改善其調(diào)制深度、飽和能量密度、非飽和吸收損耗以及光學(xué)損傷閾值等參數(shù)．

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