基于石墨烯量子点与二硫化钼的双被动调Q激光器研究 
下载： 822次
1 引言
全固态、窄脉宽、高重复频率的调Q脉冲激光在遥感、通信、医疗和**等领域有着广泛的应用[1-2]。被动调Q技术是获得窄脉宽、高重复频率脉冲激光的主要手段,相比于主动调Q技术,其具有结构简单紧凑、成本低廉、输出脉宽窄等优点。如何制备出性能优良的可饱和吸收体(SA)是获得窄脉宽激光输出的前提。早期的SAs如半导体可饱和吸收镜(SESAMs)[3-7],其工作稳定、损耗小,但成本昂贵、制备工艺复杂、恢复时间与调制深度不易控制;碳纳米管(CNTs)[8]制作方法简单、成本低、响应时间短、工作波段宽,但其直径参数不可控、管状结构不易吸附成膜,这些缺点极大地限制了它们在脉冲激光领域的应用。因此,寻找性能更加优异的新型材料作为被动调Q器件已经成为当下的研究热点。
近年来,随着对新型材料的不断研究,量子点与二维材料进入人们的研究视野。量子点是一种零维纳米材料[9-11],由于量子限制和边缘效应[12-13],使其具有独特的光电特性。其中,石墨烯量子点(GQDs)作为典型代表,其不含镉、铅等有毒金属元素,结构稳定、耐酸碱、耐光漂白,通过量子局域化效应和边缘效应,可在0~5 eV的范围内调整带隙宽度,使波长范围从近红外区扩展到可见光区和深紫外区,从而满足各种工艺对材料能隙和特征波长的要求。2016年,Hisyam等[14]将CdSe量子点作为被动调Q器件应用于光纤激光器中,产生能量为0.77 μJ,脉冲宽度为3.65 μs的脉冲激光输出。二硫化钼(MoS2)作为二维过渡金属硫化物中的典型代表,其具有独特的能带结构,随着层数的变化,带隙也会发生相应的改变,多层的MoS2密度更高,吸收波段更宽,尤其是其优异的可饱和吸收特性,在超快脉冲激光器中有着重要应用[15-17]。2017年,高雅静[18]将MoS2-SA应用于Nd∶GYSGG固体激光器中,测得最短脉冲宽度为833 ns。但由于单被动调Q激光器产生的脉冲波形对称性不够好,脉宽难以压缩[19],而双调Q激光器可以输出更窄的脉宽、更对称的波形[20]。2017年,Wang等[21]将声光调制器(AOM)与单层石墨烯可饱和吸收体应用于Nd∶GGG激光器中,在抽运功率为5.5 W、重复频率为49 kHz时,获得的最大输出功率为279 mW、脉冲宽度为200 ns,相较于单被动调Q激光器,实现了脉宽的压缩。但主被动调Q激光器体积较大、成本昂贵,限制了其在激光领域的发展。与主被动调Q激光器相比,双被动调Q激光器不需要外部设备,体积小、成本低,更有利于固体激光器的小型化、产品化发展[22]。
本文将GQDs-SA与MoS2-SA作为双被动调Q器件应用于全固态激光器中,实现了脉冲宽度的压缩和波形对称性的优化。分别采用水热法和锂离子-插层法获得了石墨烯量子点溶液与二硫化钼溶液,通过离心、旋涂、烘干等工艺制备成可饱和吸收体。利用拉曼光谱、透射光谱对所制备的GQDs-SA与MoS2-SA进行表征分析,并对其非线性传输特性进行了测量,调制深度分别为7.1%和8.4%,饱和强度分别为25.4 MW/cm2和2.5 MW/cm2。当抽运功率为12.9 W时,获得了脉冲宽度为180 ns、重复频率为1085 kHz、平均输出功率为595 mW、信号噪声比为44 dB的脉冲激光输出。
2 GQDs-SA 与 MoS2-SA的制备与表征
实验采用水热法制备少层石墨烯量子点(GQDs)溶液,主要由三个步骤组成:首先将氧化石墨烯热还原为石墨烯片;然后在浓硫酸和浓硝酸中酸化和氧化得到浓度更高和尺寸更小的衍生石墨烯片;最后将得到的产物在水热条件下去氧化,即可得到GQDs溶液。采用锂离子-插层法制备少层二硫化钼(MoS2)溶液,其制备过程如下:将MoS2粉末和正丁基锂的正己烷溶液混合,在氩气环境中常温反应2天,过滤收集插层化合物LixMoS2,之后用正己烷溶液洗涤LixMoS2,去除多余的Li离子和残留有机物,放入去离子水中,与水反应并进行超声剥离,最后离心洗涤,得到MoS2纳米片溶液[23]。将GQDs溶液和甲苯按1∶500的比例在烧杯中进行混合(GQDs溶液取0.1 mL,甲苯取50 mL),取1 mL的MoS2纳米片溶液与10 mL无水乙醇进行混合,最终获取了两种混合溶液,并将它们分别放置于超声池中超声2.5 h,取出超声后的GQDs混合溶液与MoS2混合溶液,先后在转速为1200 r/min的离心机中离心20 min,除去部分杂质,分别取适量上清液滴至15 mm×15 mm的方形石英片进行旋涂,并通过加热平台烘干,即可得到GQDs-SA与MoS2-SA。
为检测GQDs-SA与MoS2-SA的相关特性,实验通过拉曼光谱技术对其进行表征,如
图 2. 透射光谱图。(a) GQDs-SA;(b) MoS2-SA
Fig. 2. Transmission spectroscopy. (a) GQDs-SA; (b) MoS2-SA
图 3. 非线性传输特性。(a) GQDs-SA;(b) MoS2-SA
Fig. 3. Nonlinear transmission characteristics. (a) GQDs-SA; (b) MoS2-SA
3 实验装置
实验采用的腔形是线性直线腔,结构简单、紧凑,激光谐振腔腔长为25 mm。整个双被动调Q激光器系统由光纤耦合半导体激光器、耦合透镜组、Nd∶YVO4晶体、GQDs-SA、MoS2-SA、平面输出镜组成,如
图 4. 基于GQDs-SA & MoS2-SA的双被动调Q激光器实验装置图
Fig. 4. Double passively Q-switched laser experimental device based on GQDs-SA & MoS2-SA
4 实验结果与分析
实验先后将GQDs-SA、MoS2-SA、GQDs-SA & MoS2-SA作为被动调Q器件,应用于Nd∶YVO4激光器中,通过功率计测量出其输出功率与抽运功率之间的关系,如
图 6. 脉冲激光输出特性。(a)脉冲宽度与抽运功率关系曲线;(b)重复频率与抽运功率关系曲线
Fig. 6. Pulse laser output characteristics. (a) Relationship between pulse width and pump power; (b) relationship between repetition rate and pump power
为进一步研究双被动调Q激光器的输出特性,使用数字示波器采集到的单脉冲波形和脉冲序列如
图 7. 当抽运功率为12.9 W时,脉冲激光的输出特性。(a)~(c) GQDs、MoS2、GQDs & MoS2的单脉冲波形;(d) GQDs & MoS2脉冲序列
Fig. 7. Output characteristics of the pulse laser, when the pump power is 12.9 W. (a)--(c) Single pulse waveform of GQDs, MoS2, and GQDs & MoS2 respectively; (d) pulse sequence of GQDs & MoS2
图 8. 当抽运功率为12.9 W时,脉冲激光稳定性。(a)激光光谱,插图为1064 nm光束轮廓图;(b)射频光谱;(c)输出功率随时间变化图
Fig. 8. Stability of the pulse laser, when the pump power is 12.9 W. (a) Laser spectrum, inset is the 1064 nm beam profile; (b) radio frequency spectrum; (c) graph of output power change over time
5 结论
为获得脉冲宽度窄和波形对称性好的脉冲激光,利用具有不同饱和强度和饱和恢复时间的两种材料,使其分别作用在脉冲激光形成的上升沿和下降沿,实现了脉冲宽度的压缩和波形对称性的优化。分别采用水热法和锂离子-插层法获得了GQDs溶液和MoS2溶液,并经过超声、离心、旋涂、烘干等工艺制备成GQDs-SA与MoS2-SA。利用拉曼光谱、透射光谱对其进行表征,结果表明所制备的薄膜具有少层结构,透射率分别为91.82%和90.61%。此外,对其非线性传输特性进行了测量,GQDs-SA的调制深度为7.1%,饱和强度为25.4 MW/cm2;MoS2-SA的调制深度为8.4%,饱和强度为2.5 MW/cm2。将GQDs-SA与MoS2-SA作为双被动调Q器件,置于腔长为25 mm的激光谐振腔中,当抽运功率为12.9 W时,获得了脉冲宽度为180 ns、重复频率为1085 kHz、信噪比为44 dB、平均输出功率为595 mW的脉冲激光输出。
[2] Li G Q, Zhao S Z, Yang K J, et al. Diode-pumped doubly passively Q-switched Cr, Nd∶YAG/KTP green laser with GaAs saturable absorber[J]. Optics Express, 2006, 14(11): 4713-4720.
[6] 陈博伦, 方晓惠. 输出耦合率对SESAM锁模激光器的影响研究[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(19): 191401.
[8] 张亚静, 刘杰, 蔡娅雯, 等. 碳纳米管锁模全保偏掺铒光纤激光器的振动性能的研究[J]. 中国激光, 2020, 47(9): 0901002.
[9] Yang D Z, Chen Q F, Xu S K. Synthesis of CdSe/CdS with a simple non-TOP-based route[J]. Journal of Luminescence, 2007, 126(2): 853-858.
[10] Peng X, Schlamp M C. Kadavanich A A V, et al. Epitaxial growth of highly luminescent CdSe/CdS core/shell nanocrystals with photostability and electronic accessibility[J]. Journal of the American Chemical Society, 1997, 119(30): 7019-7029.
[11] Zan H W, Li C H, Yeh C C, et al. Room-temperature-operated sensitive hybrid gas sensor based on amorphous indium gallium zinc oxide thin-film transistors[J]. Applied Physics Letters, 2011, 98(25): 253503.
[12] Ritter K A, Lyding J W. The influence of edge structure on the electronic properties of graphene quantum dots and nanoribbons[J]. Nature Materials, 2009, 8(3): 235-242.
[13] Baker S, Baker G. Luminescent carbon nanodots: emergent nanolights[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2010, 49(38): 6726-6744.
[15] Dai R, Chang J H, Li Y Y, et al. Performance enhancement of passively Q-switched Nd∶YVO4 laser using graphene-molybdenum disulphide heterojunction as a saturable absorber[J]. Optics & Laser Technology, 2019, 117: 265-271.
[16] 崔玉青, 席莎, 唐军利, 等. 二维二硫化钼材料制备及表征研究[J]. 中国钼业, 2017, 41(2): 31-35.
Cui Y Q, Xi S, Tang J L, et al. Research on the preparation and characterization of two-dimension MoS2 materials[J]. China Molybdenum Industry, 2017, 41(2): 31-35.
[17] 徐豆豆, 王贤保, 邱家乐, 等. 二维二硫化钼材料的制备及应用进展[J]. 胶体与聚合物, 2015, 33(1): 37-40.
Xu D D, Wang X B, Qiu J L, et al. Preparation and application of two-dimensional molybdenum disulfide materials[J]. Chinese Journal of Colloid & Polymer, 2015, 33(1): 37-40.
[18] 高雅静. 二维拓扑材料可饱和吸收体的制备及其超快特性的研究[D]. 聊城: 聊城大学, 2017.
Gao YJ. Preparation of two-dimensional topological material saturable absorber and its ultra-fast characteristics[D]. Liaocheng: Liaocheng University, 2017.
[19] 高利岩. 二极管泵浦Nd∶GdVO4双调Q激光器的研究[D]. 济南: 山东师范大学, 2007.
Gao LY. Study on diode pumped Nd∶GdVO4 double Q-switched laser[D]. Jinan: Shandong Normal University, 2007.
[21] Wang D, Zhao J, Yang K J, et al. Pulse characteristics in a doubly Q-switched Nd∶GGG laser with an acousto-optic modulator and a monolayer graphene saturable absorber[J]. Optics & Laser Technology, 2017, 96: 265-270.
[22] Cheng K, Zhao S Z, Li Y F, et al. Diode-pumped doubly passively Q-switched Nd∶LuVO4 laser with Cr 4+∶YAG saturable absorber and GaAs output coupler[J]. Laser Physics Letters, 2009, 6(10): 703-706.
[23] Chang J H, Yang Z B, Li H H, et al. Passively Q-switched Nd∶YVO4/PPLN green laser with a few-layered MoS2 saturable absorber[J]. Optical Review, 2017, 24(6): 765-771.
Article Outline
刘海洋, 常建华, 冯潇潇, 戴腾飞, 石少杭, 戴瑞, 刘俊彤. 基于石墨烯量子点与二硫化钼的双被动调Q激光器研究[J]. 中国激光, 2020, 47(11): 1101001. Liu Haiyang, Chang Jianhua, Feng Xiaoxiao, Dai Tengfei, Shi Shaohang, Dai Rui, Liu Juntong. Research on Double Passively Q-Switched Laser Based on Graphene Quantum Dots and Molybdenum Disulfide[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(11): 1101001.
PDF全文
