以掺Nd³⁺晶体或陶瓷为激光工作物质，运行在946 nm、1064 nm和1319 nm波长的激光器已得到了广泛的研究，但至今为止很少有关于1.1 μm波段激光器的报道。而1.1 μm波段激光器在许多特殊领域具有极其重要的价值，如激光化学中的选择性光电离^[1]或者作为铥上转换光纤激光器的泵浦源产生蓝色激光^[2]。此外，1.1 μm倍频产生的0.55 μm绿光在医疗、精密加工及显示等领域发挥着重要作用^[3]。常用于产生1.1 μm波长激光的晶体有掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）和掺钕钆镓榴石（Nd:GGG）等晶体。相较于Nd:YAG，Nd:GGG晶体具有无晶种生长、大尺寸、掺杂浓度更高（大于4%）等优点，被认为是固体热容激光器的最佳载体之一^[4]。然而Nd:GGG晶体生长过程中所需的氧化镓（Ga₂O₃）成本高昂，并且蒸发严重和分解，这些问题限制了该晶体的应用。为了克服这些缺陷，研究人员采用铝离子代替部分镓离子生长出了掺钕钆铝镓石榴石（Nd:GAGG）晶体^[5]。Nd:GAGG晶体降低生长成本的同时又提高了光学质量，且其热性能与Nd:GGG相当，又由于更宽的非均匀展宽，更有利于其应用于超短脉冲激光器。Nd:GAGG晶体的最强吸收峰仍处于808 nm处，且吸收带宽（7 nm）大于Nd:YAG（0.9～2.1 nm）和Nd:GGG（5.9 nm）^[6]，其发射波长有938 nm、1062 nm、1106 nm和1332 nm。相较于其他波长，关于1106 nm波长的研究较少，只有Feng Chao等人用金纳米棒（GNRs）和Li Yanbin等人用Cr:YAG作为饱和吸收体研究了其连续和被动调Q特性^[7-8]。Cr:YAG的制备过程较为繁琐，且对晶体的掺杂工艺要求较高，成本较高，因此有必要寻求更多方法实现1106 nm波段的激光输出。

被动调Q固体激光器因其结构简单、高效率、低成本等优点已被广泛应用于各个领域，如激光打标、遥感、显微外科、发动机点火等^[9-10]。饱和吸收体（SA）作为被动调Q激光器的关键，其性能直接影响激光器输出脉冲的质量。传统的SA以半导体可饱和吸收镜（SESAMs）为代表^[11]，但制备复杂、吸收带窄和成本高等因素限制了它们的应用。之后，碳纳米管因其制备简单、响应时间快等优点成为早期的SA材料^[12]。近几年，石墨烯（Graphene）、拓扑绝缘体材料（TIs）、过渡金属硫化物（TMDs）、黑磷（BP）、金纳米粒子（GNPs）等新型二维材料具有宽的工作波段、快速恢复时间、高调制深度、低饱和吸收阈值等优异的光学性能而备受关注^[13-18]。其中，金纳米材料高的三阶非线性系数、超快的动态载流子和灵活可调的吸收谱线等特性吸引了许多研究者的注意。其最显著的特征是存在区域表面等离子共振（SPR），即纳米材料内部的电子会与入射光波电磁场发生共振，因此通过改变金纳米粒子的尺寸、形状、组成和内部结构等，可以很方便地调节它们的SPR峰及带宽^[19]。金纳米笼（GNCs）作为一种很重要的金纳米材料，其结构为内部镂空、外部多孔的立方体，立方体结构决定了它大的表面体积比，因此吸收横截面积较大^[20]，且通过改变GNCs外壁孔的个数可以改变横截面的大小^[21]。GNCs的SPR来源于内腔和外壁等离子体的相互作用，所以外壁的厚度对SPR峰的影响显著，厚度减小时，SPR峰就会红移^[22]。此外，立方体结构扩大了与空气的接触面积，有助于散热，因此具有优良的散热性能和很高的损伤阈值，可在高功率泵浦激光器中实现稳定的脉冲输出^[23]。本文成功制备了金纳米笼饱和吸收体（GNCs-SA）并在Nd:GAGG激光器中验证了其在1.1 μm处的非线性吸收特性。在输出镜透过率为7%的激光器中，当泵浦功率为7.69 W时，得到最窄脉冲宽度为370 ns、重复率为170 kHz的脉冲，最大平均输出功率为121 mW。在输出镜透过率为3%的激光器中，当泵浦功率为6.70 W时，得到脉冲宽度为436 ns、最大重复率为206 kHz的脉冲，平均输出功率为98 mW。

1 金纳米笼饱和吸收体的制备与表征

实验中通过电流置换反应制备金纳米笼^[24]。首先用多元醇法预制银纳米立方体溶液，取50 mL的乙二醇（（CH₂OH）₂）和0.6 mL浓度为3 mmol/L的硫氢化钠（NaHS）乙二醇溶液加入到烧杯中，在油浴中将其加热到150 ℃，搅拌2 min后依次加入5 mL浓度为3 mmol/L的盐酸（HCl）溶液和12.5 mL 浓度为20 mg/mL 的聚乙烯吡咯烷酮（PVP，分子质量约为58000）乙二醇溶液。待混合溶液反应2 min后，注入4 mL浓度为282 mmol/L的三氟乙酸银（C₂AgF₃O₂）乙二醇溶液，连续搅拌90 min后，用丙酮（CH₃COCH₃）洗涤一次，超纯水洗涤两次就得到了银纳米立方体溶液，其透射电子显微镜（TEM）成像如图1（a）所示。接下来通过置换反应获得金纳米笼，先将100 mL浓度为1 mg/mL的PVP乙二醇溶液置于另一个烧杯中并加热至100 ℃，之后加入2 mL刚制备好的银纳米立方体溶液，静置10 min后，用注射泵以2 mL/min的流速注入20 mL浓度为0.1 mmol/L的氯金酸（HAuCl₄）溶液，待混合溶液充分反应后将其冷却至室温，然后缓慢加入1 mL的氨水（NH₃·H₂O）以除去反应产生的氯化银（AgCl），最后经超纯水洗涤3次后，重新将其分散到5 mL的超纯水中就得到了最终的GNCs溶液，图1（b）为GNCs的TEM成像。可看出，其结构是内部中空、外壁多孔的立方体，但尺寸略有差异，经计算，其平均尺寸约为62.53 nm。利用紫外-近红外分光光度计（U4100，185-3300 nm）测得GNCs溶液的吸收光谱如图1（c）所示，可以看出，其横向SPR峰位于可见光波段，纵向SPR峰值位于1.06 μm，同时覆盖到了本实验所用的1106 nm波长。

图 1. 金纳米笼的实验表征

Fig. 1. Experimental characterization of the GNCs

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将GNCs溶液均匀涂覆到K9玻璃片上，在室温下自然风干，GNCs-SA便制备完成。借助ps脉冲激光器，利用开孔Z扫描的方法测量GNCs在不同光强下的透过率^[25]，其结果如图2所示。用指数方程 $y={{A}_{1}}\times \exp \left( -x/{{t}_{1}} \right)+{{y}_{0}}$拟合数据可得GNCs-SA的调制深度 $ {A}_{1} $和饱和吸收光强 $ {t}_{1} $分别为5.3%和1.1 MW/cm²。结果说明，GNCs-SA可用于1.1 μm波段的被动调Q激光器。

图 2. 金纳米笼的非线性光学特性

Fig. 2. Nonlinear optical properties of the as-prepared GNCs SA

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2 实验装置

实验设计了一个简易的Nd:GAGG激光器来研究GNCs-SA的饱和吸收性，实验装置如图3所示。谐振腔采用平凹腔设计，腔长为26 mm。808 nm的光纤耦合激光二极管（LD，数值孔径NA＝0.22，光斑直径d_core＝400 μm）激光器作为泵浦源，泵浦光经过1:1的耦合系统后聚焦在激光晶体的端面处。输入镜（M1）采用曲率半径为300 mm的平凹镜，镀有对808 nm的高透膜和1106 nm的高反膜（反射率R＞99.8%）。c切、Nd³⁺掺杂浓度0.74 %的Nd:GAGG晶体作为增益介质，其尺寸为4 mm×4 mm×10 mm，端面没有镀膜，经铟箔包裹后置于铜块内，并通过水冷系统使其温度始终维持在20 ℃。将制备好的GNCs-SA放置在尽可能靠近输出镜的地方，实验中采用两块不同的平面镜（M2）作为耦合输出镜，两块镜子均镀有对808 nm的高反膜和对1061 nm的增透膜，但分别镀有对1106 nm光透过率为3%和7%的部分透射膜。输出功率通过功率计（Molectron，PM10，EPM2000）测量，脉冲时域特性用1 GHz InGaAs探测器（New Focus）和数字示波器（Infiniiom公司 DSO90804A，带宽8 GHz bandwidth，40 GS/s）测量，输出光谱由光谱分析仪（Yokogawa，AQ6315A，350-1750 nm）测量。

图 3. 金纳米笼为饱和吸收体的Nd:GAGG被动调Q激光器实验装置图

Fig. 3. Schematic of diode-pumped GNCs-SA Q-switched Nd:GAGG laser

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3 实验结果与讨论

首先，实验研究了没有加入GNCs-SA时Nd:GAGG在连续运转情况下的输出特性，输出功率如图4（a）所示。当输出镜透过率为3%时，激光器阈值功率为0.86 W，随着泵浦功率增高，输出功率线性增长，斜效率为15.4%。当输出镜透过率为7%时，激光器阈值增大到1.06 W，斜效率为13.4%。输出光谱如图4（a）插图中所示，中心波长为1106 nm，实验中没有观测到其他波长的光。

图 4. Nd:GAGG激光器输出功率与泵浦功率的关系曲线

Fig. 4. Output power characteristics versus pump power of the Nd:GAGG lasers

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随后将GNCs-SA插入到谐振腔中研究Nd:GAGG被动调Q激光器的输出特性，图4（b）为输出功率随泵浦功率变化的关系图。当输出镜透过率为3%时，调Q激光器的阈值功率为3.12 W，获得的最大输出功率为98 mW，此时泵浦功率6.70 W，对应的光-光转换效率为1.5%，斜效率为2.7%。当输出镜透过率为7%时，调Q激光器阈值增加到4.08 W，泵浦功率达到7.69 W时获得最大输出功率121 mW，相应的光-光转换效率和斜效率分别为1.6%和3.4%。由于插入饱和吸收体引入了较大的损耗，所以调Q激光器相较于连续激光器的阈值更高，效率也随之减小。

输出脉冲的脉冲宽度和重复频率随泵浦功率的变化情况如图5所示。对于两个不同的输出镜，脉冲宽度均随着泵浦功率的增大而减小，而脉冲重复率增大，符合典型的被动调Q特征。当输出镜透过率为3%时，随着泵浦功率从3.57 W增加到6.70 W，脉冲宽度由1154 ns减小到436 ns，而重复率由67 kHz增加到206 kHz。泵浦功率达到6.70 W时，得到最短的脉冲宽度为436 ns，最大脉冲重复率为206 kHz，最大单脉冲能量为475.73 nJ，此时的单脉冲波形和脉冲序列如图6（a）所示。当输出镜透过率为7%时，随着泵浦功率从4.53 W增加到7.69 W，脉冲宽度从978 ns减小到370 ns，而重复率由50 kHz增加到170 kHz。泵浦功率达到7.69 W时，得到最短的脉冲宽度为370 ns，最大脉冲重复率为170 kHz，最大单脉冲能量为711.76 nJ，此时的单脉冲波形和脉冲序列如图6（b）所示。从图6中的单脉冲波形可以看出，脉冲上升沿和下降沿比较对称，脉冲序列间隔也较为均匀，说明激光器具有很好的调Q性能。而从脉冲序列可看出，脉冲峰值存在一定的波动，其原因是此时腔内能量过高，GNCs处于过度饱和状态，其饱和吸收特性变得不稳定，即对激光的损耗存在抖动，最终影响脉冲序列的稳定性。

图 5. 脉冲宽度和重复频率随泵浦功率的变化关系

Fig. 5. Change of pulse repetition rate and pulse width with pump power

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图 6. Nd:GAGG被动调Q激光器的单脉冲波形和脉冲序列

Fig. 6. Single pulse profiles and pulse trains of GNCs Q-switched Nd:GAGG lasers

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为了更直观地和之前已用于1106 nm波长的金纳米棒饱和吸收体的实验结果进行比较，突出GNCs-SA的优势，将激光器的性能参数列表比较，如表1所示。对比可知，相较于GNRs，GNCs的饱和吸收光强更高，调制深度更低，因此得到的最大输出功率更高，脉冲宽度更窄，脉冲重复频率更高。因此，实验结果表明了在近红外波段激光器中用作饱和吸收体，GNCs具有更大的研究价值。

4 结　论

本文成功制备了金纳米笼溶液并首次将其作为饱和吸收体应用于1106 nm波段Nd:GAGG被动调Q激光器中。在输出镜透过率为7%的激光器中，当泵浦功率为7.69 W时，获得最大的平均输出功率为121 mW，最短脉冲宽度370 ns，对应的重复频率170 kHz；在输出镜透过率为3%的激光器中，获得最大的脉冲重复率为206 kHz，对应的脉冲宽度436 ns，此时泵浦功率为6.70 W。实验结果证明了金纳米笼作为饱和吸收体应用到1.1 μm固体调Q激光器中的可行性。