王靜 逄金波 郭鶴澤 胡新宇 周承辰 唐文婧 蔣鍇 夏偉??

1) (濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,濟(jì)南 250022)

2) (濟(jì)南大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院,濟(jì)南 250022)

光學(xué)參量振蕩器是重要的中紅外相干光源.近年來,在激光調(diào)制方面,二維過渡金屬硫化物展現(xiàn)了非線性可飽和吸收特性,因此有望成為光學(xué)參量振蕩器基頻激光的優(yōu)良調(diào)制元件.本工作中,首先,實(shí)驗(yàn)測量了層狀二硫化鎢(WS2)調(diào)制固體激光的輸出特性.其次,結(jié)合主動聲光Q開關(guān),實(shí)現(xiàn)了主被動雙調(diào)Q 光參量振蕩的運(yùn)轉(zhuǎn),得到了納秒脈沖寬度的中紅外脈沖,并研究了WS2對光參量轉(zhuǎn)換的優(yōu)化特性,發(fā)現(xiàn)WS2納米片除了能夠壓縮脈沖、提高峰值功率外,還能緩解單主動調(diào)Q 光學(xué)參量振蕩器中的“輸出飽和下降”現(xiàn)象,這種現(xiàn)象可能起因于砷酸鈦氧鉀 (KTiOAsO4,KTA)的制冷不均勻.WS2的可飽和吸收效應(yīng)能夠顯著壓縮光斑,減少高斯光斑的邊緣能量,因此能夠緩解KTA的溫度梯度分布,從而優(yōu)化輸出特性.最后,基于WS2的非線性透過率曲線,考慮非均勻展寬機(jī)制和大信號下的非飽和吸收,計(jì)算了WS2的可飽和吸收特性參數(shù),并求解了層狀WS2調(diào)制光學(xué)參量振蕩器的速率方程組.本文在實(shí)驗(yàn)上展示了二維過渡金屬硫化物對激光非線性頻率變換的優(yōu)化效果,尤其是對熱效應(yīng)的緩解;同時(shí),為二維材料調(diào)制激光的動力學(xué)模擬提供了參數(shù)依據(jù).

1 引言

3—5 μm中紅外激光位于大氣傳輸窗口和分子振動的“指紋區(qū)”,在醫(yī)學(xué)、軍事、民用、科學(xué)研究等方面應(yīng)用廣泛,成為近幾年國內(nèi)外研究的熱點(diǎn).在1 μm基頻激光的抽運(yùn)下,光學(xué)參量振蕩器(optical parametric oscillator,OPO)能夠輸出3—5 μm波段閑頻光,成為重要的中紅外相干光源[1?3].相比于外腔OPO,內(nèi)腔光學(xué)參量振蕩器(intracavity OPO,IOPO)能夠充分利用基頻激光的腔內(nèi)光子數(shù)密度,實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換輸出.對于IOPO,短脈寬、高峰值的調(diào)Q基頻激光脈沖有利于進(jìn)一步提升效率[4,5].影響IOPO非線性轉(zhuǎn)換的另一個(gè)重要因素是基頻光脈沖序列穩(wěn)定性.因此,基頻激光器Q開關(guān)的穩(wěn)定工作和脈沖壓縮性能對IOPO具有重要意義.在各種調(diào)Q方法中,聲光(acousto-optic,AO)或電光主動調(diào)Q可以獲得一定重復(fù)頻率的可控脈沖,但其脈沖寬度通常較寬.與主動調(diào)Q激光器相比,采用可飽和吸收體(saturable absorber,SA)的被動調(diào)Q激光器可以產(chǎn)生較短的脈沖寬度.到目前為止,已經(jīng)有許多種SA被用于獲得不同波長的Q開關(guān)脈沖[6?9].在這些SA中,二維(two-dimensional,2D)過渡金屬二硫化物(transition metal dichalcogenide,TMDC)具有層數(shù)依賴的帶隙結(jié)構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)近紅外波段的激光調(diào)制,被認(rèn)為是很有前途的光調(diào)制器[10?12].將二維TMDC SA應(yīng)用于單主動調(diào)Q激光,能夠在脈寬、峰值功率和運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性等方面實(shí)現(xiàn)顯著優(yōu)化[13?15],因此,基于TMDC的主被動雙調(diào)制激光抽運(yùn)的OPO有望在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)更高效率、更好穩(wěn)定性的參量光輸出[16,17].

動力學(xué)速率方程能夠有效預(yù)測OPO的運(yùn)轉(zhuǎn)特性[18,19],是模擬輸出結(jié)果的理論工具.對調(diào)Q的內(nèi)腔OPO來說,基頻激光脈沖是信號光和閑頻光的增益源,因此,在建立IOPO的動力學(xué)模型時(shí),要重點(diǎn)考慮基頻激光的調(diào)制過程.對于主被動雙調(diào)制IOPO的速率方程求解來說,SA的可飽和吸收參數(shù)是必備的,包括基態(tài)和激發(fā)態(tài)吸收截面、激發(fā)態(tài)能級壽命、初始基態(tài)粒子數(shù)密度等.然而,由于2D TMDC的能級結(jié)構(gòu)正在研究中[20?22],很少有關(guān)于其可飽和吸收參數(shù)的報(bào)道,因此,難以實(shí)現(xiàn)TMDC調(diào)制激光速率方程的求解.目前,國際上對二維TMDC調(diào)制激光器的研究,主要集中在實(shí)驗(yàn)工作上,結(jié)合動力學(xué)理論分析的研究工作較少.

本文首先自制3.5 nm厚的WS2SA,并對其進(jìn)行表征,尤其是非線性透過率的測量和擬合;其次,在實(shí)驗(yàn)上依次實(shí)現(xiàn)WS2SA調(diào)Q制的1.06 μm激光、單AO調(diào)Q的IOPO以及基于WS2SA和AO的主被動雙調(diào)Q中紅外IOPO,并分析WS2SA的優(yōu)化特性;最后,基于測量的非線性透過率,給出了估算2D-WS2SA可飽和吸收參數(shù)的方法,對WS2+AO主被動雙調(diào)制激光抽運(yùn)的OPO進(jìn)行動力學(xué)建模,并通過計(jì)算機(jī)編程,數(shù)值求解了速率方程.

2 層狀WS2 SA的制備、表征和非線性透過率測量

WS2SA的制備采用電子束蒸發(fā)(e-beam evaporation,EBE)和退火硫化的方法.首先采用電子束蒸發(fā)法在藍(lán)寶石基片上生長約2 nm厚的鎢層薄膜,將帶有鎢膜的藍(lán)寶石片置于800 ℃硫蒸氣中退火,最終得到1.4 cm×2 cm尺寸的層狀WS2納米片.

合成材料的特性如圖1所示.圖1(a)中,采用532 nm的激光和光探測器測量了材料的拉曼光譜,觀察到兩個(gè)特征峰:A1g(417 cm–1)和E12g(350.5 cm–1).其中,A1g模與S原子的平面外運(yùn)動有關(guān),反映了層間的耦合.據(jù)報(bào)道,WS2體材料的A1g模峰值約在422 cm–1處,而我們的實(shí)驗(yàn)中獲得了約5 cm–1的紅移,驗(yàn)證了樣品的層狀結(jié)構(gòu)[23?25].圖1(b)測量了A1g模式強(qiáng)度的拉曼映射圖像,其強(qiáng)度的微小變化表明合成WS2的高度均勻性[26].在圖1(c)中,使用CX23型光學(xué)顯微鏡(Olympus,日本)測量了合成樣品的光學(xué)顯微照片,其顏色對比度表明了WS2的少數(shù)層結(jié)構(gòu)[27].圖1(d)給出了WS2的原子力顯微鏡(AFM,Bruker)的觀察結(jié)果.考慮到單層WS2的厚度約為0.8 nm[28],從高度剖面分析的3.5 nm厚度表明,材料具有約4層的二維納米結(jié)構(gòu),與上述拉曼光譜和光學(xué)顯微照片的分析結(jié)果一致.

圖1 WS2納米片的表征 (a) 532 nm激光激發(fā)的拉曼光譜;(b) A1g模峰值強(qiáng)度的拉曼映射;(c)光學(xué)顯微光譜;(d)原子力顯微鏡成像Fig.1.Characterization of WS2 nanosheet:(a) Raman spectrum collected with excitation laser of 532 nm wavelength;(b) Raman mapping of peak intensity at A1g mode;(c) optical microscopy;(d) atomic force microscopy.

采用雙光路功率掃描法測量了WS2納米片的非線性吸收曲線,實(shí)驗(yàn)設(shè)置和測量結(jié)果如圖2所示.光源采用聲光調(diào)制的1064 nm脈沖激光,在抽運(yùn)功率為2.4 W,脈沖重復(fù)率為15 kHz時(shí),輸出1064 nm波長的脈沖寬度為109 ns,平均輸出功率為389 mW.通過對測得的透過率曲線進(jìn)行非線性擬合,可以得到WS2納米片的非飽和吸收損耗(αs)約為8.826%,小信號透過率(T0)為78.471%,飽和透過率(Tsat)為91.174%,于是調(diào)制深度(ΔT)計(jì)算為12.703%,飽和功率密度(Isat)擬合為1.06793 MW/cm2.在低功率密度情況下,透過率和峰值能量密度近似成線性關(guān)系,通過擬合可以得到其斜率k約為3.18146[28,29].

圖2 功率掃描法測量WS2納米片的透過率 (a)實(shí)驗(yàn)裝置;(b)非線性透過率曲線;(c)低功率密度下的線性擬合Fig.2.Measurement of nonlinear transmittance for WS2 SA by use of the double optical path method:(a) Experimental setup;(b) nonlinear transmission;(c) linear relation for low-power density.

3 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 WS2 SA被動調(diào)Q的1.06 μm固體激光

基于少層WS2的可飽和吸收性質(zhì),實(shí)驗(yàn)測量了WS2納米片被動調(diào)Q1.06 μm激光的輸出特性(圖3).圖3(a)是實(shí)驗(yàn)設(shè)置圖,其中,以具有400 μm芯徑的1∶1光纖耦合的808 nm半導(dǎo)體激光器作為泵浦源(Pluto5,洛芙科技,中國);激光晶體采用3 mm × 3 mm × 5 mm的Nd3+∶YVO4,摻雜率為0.6 % (原子含量),晶體兩個(gè)端面鍍有1.06 μm的增透膜;輸入鏡曲率半徑為200 mm,鍍有808 nm增透和1.06 μm高反膜;輸出鏡為平鏡,對1.06 μm激光具有25%的耦合輸出.

在1.4—3.0 W的泵浦功率下,實(shí)驗(yàn)記錄了脈沖激光的輸出特性,如圖3(b)—(e)所示.圖3(b)顯示了平均輸出功率,激光運(yùn)轉(zhuǎn)的閾值為1.4 W,實(shí)驗(yàn)中獲得的最高平均功率為650 mW;圖3(c)是WS2SA調(diào)制的脈沖寬度,實(shí)驗(yàn)中的最小脈寬約為684 ns;輸出激光的脈沖重復(fù)率如圖3(d)所示,它隨著輸入能量的升高而升高,在抽運(yùn)功率3 W下,得到實(shí)驗(yàn)中最大的脈沖重復(fù)率約為259 kHz;在圖3(e)中,計(jì)算了脈沖的峰值功率,在3 W抽運(yùn)功率下,脈沖的最大峰值功率約為3.7 W,此時(shí)單脈沖能量為2.51 μJ.

圖3 WS2 SA被動調(diào)Q的1.06 μm激光 (a)實(shí)驗(yàn)裝置;(b)平均輸出功率;(c)脈沖寬度;(d)脈沖重復(fù)率;(e)峰值功率;(f) WS2調(diào)Q、1.06 μm脈沖波形;(g) WS2+AO調(diào)Q的1.06 μm脈沖波形,fp=15 kHzFig.3.WS2 SA passively Q-switched 1.06 μm laser:(a) Experimental setup;(b) average output power;(c) pulse width;(d) pulse repetition rate;(e) peak power;(f) temporal pulse train from WS2 Q-switched 1.06μm laser;(g) temporal pulse train from WS2+AO Q-switched 1.06 μm laser,fp=15 kHz.

由圖3(b)—(e)可以看出,盡管1.06 μm激光的光子能量小于少層WS2的禁帶寬度(>1.3 eV),但在我們的實(shí)驗(yàn)中,WS2納米片仍然展現(xiàn)出對1 μm激光的可飽和吸收效應(yīng),這可能歸因于缺陷態(tài)、邊緣態(tài)和雙光子吸收等機(jī)制[30,31].

在泵浦功率為3 W時(shí),測量了輸出的時(shí)域脈沖序列.圖3(f)給出了WS2單被動調(diào)Q的1.06 μm脈沖波形,為了評價(jià)脈沖的峰-峰值抖動,計(jì)算得到脈沖幅度的標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation,SD)約為0.8216.

OPO的高轉(zhuǎn)換依賴于高峰值功率的、穩(wěn)定的基頻激光,由圖3可以看到,WS2SA單調(diào)制1.06 μm脈沖的峰值功率為瓦特量級,峰-峰幅度的SD接近1,具有較低的峰值功率和較高的峰值抖動,不利于以KTA為非線性介質(zhì)的OPO參量轉(zhuǎn)換.因此,在圖3(a)的基礎(chǔ)上,引入聲光調(diào)制器來管理開關(guān)時(shí)間,以減小脈沖抖動和提高峰值功率.在抽運(yùn)功率為3 W,脈沖重復(fù)率為15 kHz時(shí),得到WS2+AO調(diào)Q的1.06 μm脈沖波形,如圖3(g)所示,其SD約為0.01421.

3.2 WS2 SA+AO 調(diào)Q IOPO的中紅外運(yùn)轉(zhuǎn)

WS2+AO 主被動雙調(diào)QIOPO的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示.非線性轉(zhuǎn)換晶體采用II類相位匹配的KTA晶體(切割角度θ=90°,φ=0°),長度為2.5 cm,兩端面鍍有1.06,1.53和3.40 μm的增透膜;激光晶體和非線性晶體均采用銅塊水冷,溫度嚴(yán)格控制在20 ℃;聲光調(diào)制器(I-QS041-2S4GU5-ST1,Gooch&Housego,英國)的調(diào)制頻率fp選取15和25 kHz,聲光晶體的厚度為47 mm,兩端均鍍有1.06 μm的增透膜;激光晶體、非線性晶體和WS2SA均置于五維精密調(diào)整架上(7SWM0501,賽凡光電,中國).凹面鏡M1即為圖3中的輸入鏡;平面鏡M2鍍有1.06 μm增透和3.4 μm高反膜;平面鏡M3作為輸出鏡,鍍有1.06 μm高反、1.53 μm增透和3.4 μm部分反射膜(透過率為T=20%).M1和M3構(gòu)成了1.06 μm基頻激光諧振腔,腔長為10 cm;M2和M3構(gòu)成了閑頻光單諧振的OPO腔,腔長為2.8 cm.

圖4 少層 WS2+AO調(diào)制KTA IOPO的實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.4.Few-layer WS2+AO modulated KTA IOPO.

采用MAX500AD型號功率計(jì)(Coherent Inc.,U.S.A.)測量激光脈沖的平均輸出功率;為了探測基頻光、信號光和閑頻光的時(shí)域波形,采用響應(yīng)時(shí)間小于1 ns的光電探測器,型號分別為:DET10A/M (Thorlabs,U.S.A.),DET08C/M (Thorlabs,U.S.A.),PVI-3TE-6-1 × 1-T08-BaF2 (Vigo,波蘭),脈沖波形采用TDS620B型示波器記錄(Tektronix,U.S.A.);三光的光譜信息采用 MS9710C型(Anritsu,日本,分辨率為0.1 nm)和7ISU301型(賽凡光電,中國,分辨率為0.05 nm)光譜儀記錄;基頻激光的橫向能量分布由M2MS型光束質(zhì)量分析儀測定(Thorlabs,U.S.A.).

在圖5中,測量了輸出端M3處的參量光光譜,由圖5可以看出,基頻光、信號光和閑頻光的中心波長分別為1064.4,1536.0,和3466.95 nm,三光波長符合參量下轉(zhuǎn)換的能量守恒定理:hνf?hνshνi,其中,νf,νs和νi分別為基頻光、信號光和閑頻光的頻率.

圖5 基頻光(a)、信號光(b)和閑頻光(c)的光譜Fig.5.The spectra of the fundamental (a),signal (b),and idler (c) light.

從圖6可以看出WS2納米片對3466.95 nm波長中紅外IOPO運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)化效果.為了便于比較,圖6(a)—(d)測量了沒有WS2SA時(shí)聲光單調(diào)QIOPO閑頻光的輸出特性;圖6(e)—(f)測量了WS2SA+AO調(diào)QIOPO閑頻光的輸出特性.圖6(a),(e)給出了調(diào)QIOPO閑頻光的平均輸出功率.值得注意的是,圖6(a)中,沒有WS2SA時(shí),AO單調(diào)QIOPO的中紅外輸出功率(Pout)隨著泵浦功率(Ppump)的提升趨于飽和,并在Ppump=10 W (fp=15 kHz),10.6 W (fp=25 kHz)時(shí)達(dá)到最高輸出,隨著Ppump的進(jìn)一步提升,Pout快速下降,這種“輸出飽和下降”的現(xiàn)象可能是由于實(shí)驗(yàn)中KTA晶體的制冷不均勻引起的[32?34].基于KTA的OPO走離角和有效非線性系數(shù)如圖7(a)所示[35,36],對II類相位匹配KTA晶體來說,θ90°保證了最小的走離角和最大的轉(zhuǎn)換效率.實(shí)驗(yàn)中,KTA晶體的制冷邊界與振蕩光束中心之間產(chǎn)生溫度梯度分布,從而產(chǎn)生折射率的梯度變化,使振蕩光束中非中心入射光線的傳播方向朝光軸彎曲,Q90°,降低轉(zhuǎn)換效率[37].

在圖6(e)中,雖然WS2的插入損耗使得WS2SA+AO 調(diào)QIOPO的中紅外輸出要低于單AO調(diào)QIOPO,但也消耗了基頻激光的光子數(shù)密度,降低了KTA處的熱效應(yīng).另外,在圖7(b),(c)中測量了1.06 μm基頻光束光斑.可以看到,加入WS2后,除了光束質(zhì)量得到了提高,光束半徑也被顯著壓縮,這可能是由于WS2的可飽和吸收效應(yīng)消耗了高斯光束的邊緣部分能量,使光束能量集中于中心位置,緩解了“輸出飽和下降”現(xiàn)象.需要說明的是,當(dāng)Ppump>11.2 W后,即使WS2能夠壓縮光斑,WS2SA+AO IOPO的輸出也會出現(xiàn)飽和,因此SA的加入實(shí)際上是延緩了輸出飽和現(xiàn)象的出現(xiàn).

圖6 調(diào)Q IOPO的中紅外閑頻光輸出特性 (a),(e)平均輸出功率;(b),(f)輸出脈沖寬度;(c),(g)峰值功率;(d),(h)輸出脈沖序列.(a)—(d) AO單調(diào)Q IOPO的輸出結(jié)果;(e)—(h)WS2 SA+AO 雙調(diào)Q IOPO的輸出結(jié)果Fig.6.Output characteristics of Q-switched IOPOs:(a),(e) Average output power;(b),(f) pulse width;(c),(g) peak power;(d),(h) pulse train;(a)–(d) output of AO Q-switched IOPO;(e)–(h) output of WS2 SA+AO Q-switched IOPO.

圖7 (a)走離角、有效非線性系數(shù)與相位匹配角θ的關(guān)系;(b) AO單調(diào)Q的 1.06 μm基頻光的光斑,高斯光束質(zhì)量因子=3.02,=2.19,光束半徑為798 μm;(c) WS2+AO雙調(diào)Q的 1.06 μm基頻光的光斑,高斯光束質(zhì)量因子=1.69,=1.51,光束半徑為451 μm Fig.7.(a)Walk-off angle anddeff versus θ;(b)1.06 μm fundamental-light beam from AO Q-switched laser,=3.02,=2.19,beam radius of798 μm;(c)1.06 μm fundamental-light beam from WS2+AOQ-switched laser,=1.69,=1.51,beam radius of 451 μm.

圖6(b),(f)中測量了3466.95 nm輸出脈沖的時(shí)域?qū)挾?可以看到,15 kHz調(diào)制頻率的脈沖寬度要略低于25 kHz的.當(dāng)泵浦功率為最大值11.2 W,脈沖重復(fù)率為15 kHz時(shí),AO 單調(diào)制的最小脈沖寬度為4.17 ns,而WS2SA+AO 調(diào)QIOPO的最小脈沖寬度為1.42 ns.由此可見,由于WS2的可飽和吸收作用,中紅外輸出脈沖被壓縮了約67%.

基于平均輸出功率和脈沖寬度,在圖6(c),(g)中計(jì)算了中紅外峰值功率.在圖6(c)中,由于“輸出飽和下降”,峰值功率隨著泵浦的提升而趨于飽和,隨后緩慢下降;而在圖6(d)中,由于WS2的插入損耗和可飽和吸收特性,WS2SA+AO IOPO的中紅外輸出峰值功率快速提升,在Ppump=11.2 W,fp=15 kHz時(shí),得到實(shí)驗(yàn)中的最高峰值功率為3.26 kW,比AO單調(diào)制情況下提升了約1.91倍.

圖6(d),(h)記錄了Ppump=11.2 W,fp=15 kHz時(shí)的閑頻光脈沖序列.圖6(d)中脈沖抖動的SD約為9.42%,而圖6(h)中的SD約為1.92%,因此,WS2SA使脈沖峰值穩(wěn)定性提升了約79.62%.

4 動力學(xué)理論分析

基態(tài)吸收截面σg,激發(fā)態(tài)吸收截面σe,基態(tài)初始粒子數(shù)ny0和激發(fā)態(tài)粒子壽命τy是反映SA可飽和吸收的重要特性參數(shù),也是動力學(xué)方程求解的必備參數(shù).在之前的工作中[16,17],基于脈沖光峰值能量密度與傳播距離的微分方程,得到了小信號和大信號近似下透過率與吸收的關(guān)系,從而求出了可飽和吸收參數(shù).然而,在大信號近似下,SA對光的吸收降低,除了需要考慮材料飽和吸收外,還應(yīng)考慮非飽和吸收.因此,基于之前工作,可將飽和透過率的計(jì)算公式修正為

根據(jù)修正公式,考慮非均勻加寬機(jī)制,對3.5 nm厚WS2片的可飽和吸收參數(shù)計(jì)算值如表1所示,這些計(jì)算值與其他報(bào)道相符,符合TMDC的典型值范圍[38,39].

表1 實(shí)驗(yàn)制備3.5 nm WS2 SA可飽和吸收特性的關(guān)鍵參數(shù)Table 1.The key parameters for saturable absorption properties of 2D-WS2 SA.

基于基頻光、信號光和閑頻光的光子數(shù)密度變化規(guī)律,考慮基頻光增益介質(zhì)的翻轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度和SA可飽和吸收上能級的粒子數(shù)密度變化,建立主被動雙調(diào)QIOPO的速率方程組(2)—(6)[16,40].

其中,Ej(t) (j=p,s,i) 是基頻光、信號光、閑頻光的電場振幅;n(t) 是增益介質(zhì)的翻轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度;ny1(t) 是SA的激發(fā)態(tài)粒子數(shù)密度.其他參數(shù)的物理意義及數(shù)值見表2所示.

基于表1和表2的參數(shù)值,編程數(shù)值求解速率方程(5)—(6),擬合結(jié)果如圖8所示.圖8(a)—(c)是Ppump=11.2 W,fp=15 kHz時(shí),WS2+AO調(diào)QIOPO基頻光、閑頻光和信號光的波形,圖8(d)—(f)是AO單調(diào)QIOPO的三光波形,以作對比.由圖8可以看出,速率方程的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值擬合得較好;無論在理論還是實(shí)驗(yàn)上,WS2納米片的可飽和吸收特性使三光的脈沖持續(xù)時(shí)間均得到了壓縮.

表2 速率方程中的其它參數(shù)Table 2.The other parameters in rate equations.

圖8 Ppump=11.2 W,fp=15 kHz時(shí),基頻光、閑頻光、信號光的時(shí)域波形 (a) WS2+AO調(diào)Q IOPO的基頻光波形;(b) WS2+AO調(diào)Q IOPO的閑頻光波形;(c) WS2+AO調(diào)Q IOPO的信號光波形;(d) AO調(diào)Q IOPO的基頻光波形;(e) AO調(diào)Q IOPO的閑頻光波形;(f) AO調(diào)Q IOPO的信號光波形Fig.8.Temporal pulses of fundamental light,idler light,and signal light at Ppump=11.2 W,fp=15 kHz:(a) Fundamental pulse from WS2+AO Q-switched IOPO;(b) idler pulse from WS2+AO Q-switched IOPO;(c) signal pulse from WS2+AO Q-switched IOPO;(d) fundamental pulse from AO Q-switched IOPO;(e) idler pulse from AO Q-switched IOPO;(f) signal pulse from AO Qswitched IOPO.

5 結(jié)論

本文首先采用EBE和退火硫化的方法制備了3.5 nm厚的WS2納米片,并對其性能進(jìn)行了表征,重點(diǎn)測量、擬合了反映其可飽和吸收特性的非線性透過率;其次,將制備的WS2納米片用于1.06 μm的固體激光調(diào)制,實(shí)驗(yàn)測量了其輸出特性,發(fā)現(xiàn)雖然1.06 μm波長光子不足以激發(fā)少層WS2的本征躍遷,但是WS2仍然能夠?qū)? μm激光實(shí)現(xiàn)可飽和吸收調(diào)制;實(shí)驗(yàn)測量了WS2+AO調(diào)QIOPO的中紅外輸出特性,發(fā)現(xiàn)WS2對調(diào)QIOPO閑頻光的優(yōu)化作用:緩解了“輸出飽和下降”的問題、壓縮了脈沖寬度、提高了峰值功率;最后,在之前工作的基礎(chǔ)上,考慮大信號近似下的非飽和吸收損耗,修正了SA可飽和吸收參數(shù)的理論計(jì)算方法,并將計(jì)算的WS2納米片參數(shù)值用于動力學(xué)研究,數(shù)值求解了基于WS2SA的中紅外IOPO速率方程,理論值與實(shí)驗(yàn)值符合得較好.