孔春霞,羅 云,劉海洋,季曉煒,張 雪

(1.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,江蘇 南京 210044)

1 引 言

全固態(tài)脈沖激光器在激光手術(shù)、信息存儲(chǔ)、遙感技術(shù)、通訊等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。目前,基于不同的可飽和吸收體(Saturable Absorber,SA)的被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)是獲得窄脈寬、高能量脈沖激光輸出的重要手段。采用被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)的全固態(tài)脈沖激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、脈沖激光輸出穩(wěn)定性更高、光束質(zhì)量更好等優(yōu)點(diǎn)。因此,如何利用被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)來獲得窄脈寬、高能量脈沖激光輸出成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)[3-4]。SA作為全固態(tài)脈沖激光器的關(guān)鍵器件,如何選擇一個(gè)性能優(yōu)異的SA是獲得理想被動(dòng)調(diào)Q脈沖激光輸出的前提。傳統(tǒng)的SA有半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAMs)[5-9]和碳納米管(CNTs)[10]。SESAMs具有制作工藝復(fù)雜、材料成本昂貴、波長(zhǎng)范圍窄以及CNTs的直徑參數(shù)不可控,這些缺陷限制了它們?cè)诿}沖激光領(lǐng)域中的應(yīng)用[11]。

近年來,新型二維材料作為SA應(yīng)用于光纖/固體激光器中來獲得脈沖激光輸出的報(bào)道層出不窮,引起了科研工作者們廣泛的關(guān)注。石墨烯是最早被發(fā)現(xiàn)并成功應(yīng)用于激光器中獲得脈沖激光輸出的一種二維材料[12-13]。然而,石墨烯具有零帶隙的缺陷,這極大地限制了其在脈沖激光領(lǐng)域中的應(yīng)用。與石墨烯相比,WS2作為一種典型的過渡金屬硫化物(Transition Metal Dichalcogenides,TMDs)具有獨(dú)特的“三明治”結(jié)構(gòu)、可調(diào)控的能帶隙、載流子遷移率高、非線性敏感性高等優(yōu)點(diǎn),有效地彌補(bǔ)了石墨烯的零帶隙缺陷。除此之外,本征態(tài)的WS2為雙極性半導(dǎo)體,這些特性使其有望在電子電路、光電探測(cè)以及光伏器件等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[14]。2015年,Zhao等人將單層WS2作為SA,在Nd∶GdVO4固體激光器中獲得脈沖寬度為110 ns和平均輸出功率為0.18 W的脈沖激光[15]。2016年,Cheng等人利用WS2-SA,首次在640 nm波段實(shí)現(xiàn)藍(lán)色二極管泵浦的Pr∶LiYF4被動(dòng)調(diào)Q脈沖激光輸出,其脈沖寬度為630 ns,最大平均輸出功率為21.5 mW[16]。2017年,Tang等人利用WS2-SA,在二極管泵浦的YVO4/Nd∶YVO4激光器中,獲得了最短脈沖寬度為56 ns,最大輸出功率為1.36 W,峰值功率高達(dá)23.6 W的脈沖激光輸出,這也是二維材料實(shí)現(xiàn)調(diào)Q脈沖激光輸出的最短脈沖寬度[17]。2019年,Ma等人將WS2-SA應(yīng)用于二極管泵浦的Nd∶GdLaNbO4激光器中,在優(yōu)化激光參數(shù)后,獲得了連續(xù)波最大輸出功率為4.37 W,斜率效率為42 %,這是目前為止最高的輸出功率。插入WS2-SA后,獲得的最短脈沖寬度為895 ns,重復(fù)頻率為162 kHz[18]。

本文采用鋰離子-插層法制作了WS2納米片溶液,經(jīng)超聲、離心、旋涂、烘干等流程制備了性能優(yōu)良的WS2-SA。利用Raman和AFM法對(duì)WS2-SA進(jìn)行系統(tǒng)表征分析,結(jié)果表明其表面薄膜具有少層片狀二維結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)將WS2-SA作為調(diào)Q器件應(yīng)用到Nd∶YVO4全固態(tài)激光器中,通過優(yōu)化諧振腔的參數(shù)以及結(jié)構(gòu),當(dāng)吸收泵浦功率為1.42 W時(shí)達(dá)到出光閾值。增加吸收泵浦功率至8.16 W時(shí),獲得了脈沖寬度為358 ns、重復(fù)頻率為1.4 MHz、最大平均輸出功率為570.4 mW的脈沖激光輸出,其相應(yīng)的信噪比為39 dB。

2 WS2-SA的制備與表征

采用鋰離子-插層法制作了少層WS2納米片溶液,其制作過程如下:將WS2粉末倒入正丁基鋰的正己烷溶液中,使其在氬氣環(huán)境下常溫反應(yīng)2 d；過濾并收集出插層混合物L(fēng)ixWS2,用正己烷溶液對(duì)其進(jìn)行洗滌,去除多余的Li離子和殘留物質(zhì)；將洗滌過的LixWS2放入去離子水中,使用超聲儀進(jìn)行超聲剝離、離心洗滌,即可得到WS2納米片溶液。WS2-SA的制備過程如下:將WS2納米片溶液和無水乙醇按1∶10的比例在燒杯中進(jìn)行混合(WS2取1 mL,無水乙醇取10 mL),得到一定濃度的懸濁液,并將其放置于超聲池中超聲1.5 h；取出超聲后的溶液,在轉(zhuǎn)速為1200 rpm的離心機(jī)中離心20 min,除去部分殘留物質(zhì)；取適量上清液滴至15 mm×15 mm的方形石英片進(jìn)行旋涂,通過加熱平臺(tái)烘干,即可得到WS2-SA。

圖1 WS2-SA的表征圖

3 WS2-SA的光電特性研究

3.1 諧振腔設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊的平-平直線腔,如圖2所示。整個(gè)激光器系統(tǒng)由光纖耦合半導(dǎo)體激光器、耦合透鏡組、Nd∶YVO4晶體、WS2-SA、平面輸出鏡OM組成,激光諧振腔的腔長(zhǎng)設(shè)計(jì)為56 mm。采用中心波長(zhǎng)為808 nm的半導(dǎo)體激光器作為泵浦光源,該激光器的最大輸出功率為20 W,光纖的芯徑400 μm,數(shù)值孔徑為0.22。泵浦光經(jīng)過1∶1耦合透鏡組聚焦到Nd∶YVO4晶體上,光斑半徑為200 μm。Nd∶YVO4晶體的尺寸為3 mm×3 mm×5 mm,Nd3+摻雜濃度為0.5 %,用銦箔包裹放在紫銅水冷裝置中,通過激光恒溫冷卻器(深圳科力達(dá) KLD-LC16-FRH/L)控制Nd∶YVO4晶體的溫度在25 ℃左右,Nd∶YVO4晶體的S1端面鍍有808 nm的增透膜和1064 nm的高反膜,充當(dāng)輸入鏡,S2端面鍍有1064 nm的增透膜；平面輸出鏡OM鍍有1064 nm的透射膜,透過率為5 %。使用光電探測(cè)器和數(shù)字示波器對(duì)激光器輸出的脈沖激光進(jìn)行掃描和記錄。

圖2 基于WS2-SA的被調(diào)Q激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)首先研究了1064 nm波段連續(xù)光的性能,激光閾值為1.02 W,平均輸出功率與泵浦吸收功率成線性關(guān)系,當(dāng)泵浦吸收功率增加至8.16 W時(shí),最大平均輸出功率為760.7 mW,如圖3(a)所示。隨后,研究激光器的調(diào)Q性能,將WS2-SA插入諧振腔中(如圖2所示),當(dāng)吸收泵浦功率為1.44 W時(shí),出現(xiàn)調(diào)Q現(xiàn)象,激光閾值相比連續(xù)光較高是因?yàn)榧す庠赪S2-SA上有損耗。其平均輸出功率同樣隨吸收泵浦功率的增加而增加,在吸收泵浦功率為8.16 W時(shí),激光器最大平均輸出功率為570.4 mW。圖3(b)顯示了脈沖寬度和重復(fù)頻率與吸收泵浦功率之間的關(guān)系,即脈沖寬度隨吸收泵浦功率的增加而減小,重復(fù)頻率隨吸收泵浦功率的增加而提高。當(dāng)吸收泵浦功率從1.44 W增加到8.16 W時(shí),相應(yīng)的脈沖寬度從1.2 μs壓縮到358 ns,重復(fù)頻率從275 kHz提高到1.4 MHz。導(dǎo)致脈沖寬度不斷壓縮的原因是隨著吸收泵浦功率的增加,腔內(nèi)光子數(shù)密度不斷增加,飽和吸收體漂白變快,調(diào)Q時(shí)間變短。繼續(xù)增加吸收泵浦功率,脈沖寬度可以繼續(xù)被壓縮,但考慮到功率過高會(huì)損傷晶體,便沒有繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖3 不同參數(shù)與吸收泵浦功率關(guān)系曲線

實(shí)驗(yàn)使用光電探測(cè)器和數(shù)字示波器對(duì)激光器輸出的脈沖激光進(jìn)行掃描和記錄,圖4(a)和4(b)分別是數(shù)字示波器掃描時(shí)間為2 μs和200 ns時(shí)的脈沖波形圖。圖4(a)顯示所獲得的調(diào)Q脈沖激光輸出存在輕微的波動(dòng)主要是由于在激光器長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,Nd∶YVO4晶體內(nèi)只有部分泵浦能量轉(zhuǎn)化為激光,而其他能量會(huì)轉(zhuǎn)換成熱能,產(chǎn)生熱效應(yīng)現(xiàn)象,直接導(dǎo)致激光器諧振腔輕微的不穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)使用頻譜儀(型號(hào)為ESAd402B)測(cè)量了調(diào)Q脈沖激光的頻譜,如圖5(a)所示,當(dāng)頻率為1.4 MHz時(shí),信噪比高達(dá)39 dB,說明調(diào)Q脈沖較為穩(wěn)定。圖5(b)是使用光纖光譜儀(型號(hào)為Seemantech S3000-VIS)測(cè)量得到的激光中心波長(zhǎng)為1064.04 nm,帶寬為0.96 nm的光譜圖。為檢測(cè)此脈沖激光器在長(zhǎng)時(shí)間工作下平均輸出功率的穩(wěn)定情況,實(shí)驗(yàn)過程中保持吸收泵浦功率為6.25 W,用功率計(jì)記錄了120 min內(nèi)激光器平均輸出功率的變化情況,如圖4所示,其變化幅度低于5 %,表明激光器輸出的脈沖激光較為穩(wěn)定。圖6中個(gè)別數(shù)據(jù)有所浮動(dòng)是因?yàn)樵谙到y(tǒng)內(nèi)部采用了激光恒溫冷卻器來控制Nd∶YVO4晶體的溫度,然而,激光恒溫冷卻器工作時(shí),水泵抽取冷卻水會(huì)發(fā)生抖動(dòng)對(duì)激光諧振腔的穩(wěn)定產(chǎn)生一定的影響。

圖4 吸收泵浦功率為8.16 W時(shí)脈沖激光的輸出特性

圖5 當(dāng)吸收泵浦功率為8.16 W時(shí)

圖6 輸出功率隨時(shí)間變化圖

4 結(jié) 論