1 引言

光纖激光器與其他激光器相比，具有效率高、穩(wěn)定性好、體積小和光束質(zhì)量好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于材料加工、光纖通信、大氣光學(xué)、激光醫(yī)療、軍事等多個領(lǐng)域。尤其是脈沖激光器已經(jīng)成為激光制造和激光通信的關(guān)鍵設(shè)備。光纖激光器可以采用鎖模和調(diào)Q兩種方法來實現(xiàn)脈沖輸出。調(diào)Q與鎖模相比，具有更高的單脈沖能量，較寬的脈沖寬度和更寬的轉(zhuǎn)換效率。光纖激光器的調(diào)Q方式主要有主動、被動兩種。主動調(diào)Q 需要外加聲光、電光轉(zhuǎn)換裝置來改變諧振腔Q 值，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。被動調(diào)Q 是利用飽和吸收材料( 如摻雜過渡金屬材料或者半導(dǎo)體材料)或者光纖中的布里淵散射效應(yīng)來改變諧振腔內(nèi)的Q值來實現(xiàn)的，其特點是結(jié)構(gòu)簡單緊湊。

Cr∶YAG與半導(dǎo)體飽和吸收鏡是備受青睞的飽和吸收體，但是Cr∶YAG 吸收帶寬( 0.8 ～1.2 μm) 有限，且與光纖耦合性很差，不能完全滿足光纖激光器的要求。半導(dǎo)體飽和吸收鏡制作封裝工藝復(fù)雜，工作波段也很窄。碳納米管作為飽和吸收體具有可飽和吸收強度大、響應(yīng)時間快、成本低價格便宜的優(yōu)點，但是其工作波長與納米管直徑和手性有關(guān)?？梢圆捎枚喾N不同直徑的碳納米管以實現(xiàn)寬帶吸收，但是這又會引入額外的損耗，增加調(diào)Q的難度。與半導(dǎo)體飽和吸收鏡、Cr ∶ YAG、碳納米管相比，石墨烯與氧化石墨烯具有完美的光學(xué)特性，如吸收強度大、工作波段更寬( 可見光到中紅外) 、響應(yīng)時間超快( 100 fs) 、損傷閾值高，而且制作簡單、價格低廉、與光纖耦合性好，是被動調(diào)Q 光纖激光器的理想材料。

2 石墨烯飽和吸收體

2.1 石墨烯飽和吸收特性

石墨烯具有特殊的光學(xué)與電學(xué)特性，和其他大多數(shù)二維納米材料不同，它有一個零帶隙能帶結(jié)構(gòu)。理想的石墨烯能帶是完全對稱的錐型導(dǎo)帶和價帶對稱的分布在費米能級上下，導(dǎo)帶與價帶交叉點為狄拉克點。這種特殊結(jié)構(gòu)決定了石墨烯對光的響應(yīng)與波長無關(guān)，其工作光譜范圍更寬。石墨烯具有非常良好的非線性光學(xué)吸收特性。當(dāng)入射光比較弱時，處在價帶的電子會吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶，石墨烯的吸收系數(shù)較大。而入射光足夠強時，導(dǎo)帶將被新產(chǎn)生的電子填滿，阻礙了石墨烯吸收更多光子，因此吸收系數(shù)減少。單層石墨烯的能級結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 石墨烯飽和吸收體的制作

石墨烯具有良好的飽和吸收特性，需要采用不同方法來制備調(diào)Q 開關(guān)。在光纖激光器方面，目前有四種有效的方法。石墨烯飽和吸收體的制備方法如圖2 所示。

2.2.1 “三明治”結(jié)構(gòu)

“三明治”結(jié)構(gòu)被動調(diào)Q 飽和吸收體是目前最簡單最有效使用最多的結(jié)構(gòu)。把石墨烯置于兩個光纖端面之間，構(gòu)成“三明治”結(jié)構(gòu)。制作方法有： ①可以將化學(xué)氣相沉積法( CVD) 制備的石墨烯薄片;或者利用石墨烯和大分子材料混合而成的復(fù)合材料薄膜直接夾在光纖連接器之間構(gòu)成“三明治”結(jié)構(gòu)。②也可以利用激光誘導(dǎo)沉積的方法，直接將石墨烯分散液中的石墨烯通過電泳效應(yīng)沉積在光纖端面上。③通過“噴霧”法，把制備的石墨烯溶液噴灑在光纖端面上，烘干。④甚至也可以將CVD 制備的石墨烯，直接轉(zhuǎn)移單光纖端面上。

采用此種辦法制備的石墨烯調(diào)Q 開關(guān)屬于透射式結(jié)構(gòu)，光纖耦合損耗較小，基本可以實現(xiàn)全光纖結(jié)構(gòu)。缺點是損傷閾值較低，輸出功率不高。

2.2.2 內(nèi)部鑲嵌結(jié)構(gòu)

將石墨烯分散液注入到一根中空或者光子晶體光纖中，烘干即可。這種方法制備的飽和吸收體損傷閾值較高，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，引入的損耗較少，可以實現(xiàn)光纖激光器的全光纖結(jié)構(gòu)。

2.2.3 光倏逝波耦合結(jié)構(gòu)

利用光倏逝波與石墨烯的相互作用也可以制作飽和吸收體，由于僅部分光與石墨烯相互作用，因而損傷閾值更高。其主要結(jié)構(gòu)有D 型光纖和錐型光纖。

2.2.4 腔鏡反射式結(jié)構(gòu)

可以將石墨烯直接沉積或者轉(zhuǎn)移到寬度反射鏡上，構(gòu)成反射式飽和吸收體。將此飽和吸收反射鏡作為一個諧振腔的腔鏡，來實現(xiàn)被動調(diào)Q。這種方法制作比較簡單，但不是全光纖結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，耦合效率比較低。大部分應(yīng)用于線型腔光纖激光器。

3 石墨烯調(diào)Q 光纖激光器研究進展

光纖激光器是用摻稀土元素的光纖作為增益介質(zhì)的激光器，常見的摻雜離子主要有Er3 +、Yb3 +、Tm3 +、Ho3 + 以及Nd3 + 等。

3.1 摻Er3 +光纖激光器

摻Er3 + 光纖在波長1.5 ～ 3 μm 附近具有很高的增益，且對應(yīng)光纖低損耗第三通信窗口。石墨烯被動調(diào)Q Er3 + 光纖激光器是研究最廣泛、最多的光纖激光器，發(fā)展十分迅速。

3.1.1 單波長輸出摻Er3 + 光纖激光器

2013 年王曉龍等采用光誘導(dǎo)沉積法將石墨烯吸附于光纖的端面上，并與光纖連接器制備了“三明治”結(jié)構(gòu)的飽和吸收體，實現(xiàn)了1564 nm 脈沖激光輸出，輸出功率2.08 mW，重復(fù)頻率28 kHz，脈沖寬度3 μs。2013 年Chen Wei 類似結(jié)構(gòu)的石墨烯飽和吸收體獲得了2.78 μm 被動調(diào)Q 摻Er3 + 氟化物光纖激光器，輸出功率62 mW，重復(fù)頻率37 kHz，脈沖寬度2.9 μs。2014 年R.Z.R.R.Rosdin等采用聚乙烯醇( PVA) 石墨烯薄片直接夾在光纖連接器之間，構(gòu)成“三明治”結(jié)構(gòu)飽和吸收體，獲得1560 nm 脈沖激光，重復(fù)頻率27.0 kHz，脈沖寬度3.56 μs。

3.1.2 可調(diào)諧摻Er3 + 光纖激光器

2011 年劍橋大學(xué)D.Popa 等，采用石墨烯PVA飽和吸收體，獲得了摻Er3 + 光纖激光器，并采用可調(diào)諧帶通濾器，實現(xiàn)了1522 ～ 1555 nm 輸出。輸出功率3.4 mW，重復(fù)頻率103 kHz，脈沖寬度2 μs。2012 年W J Cao 等采用光誘導(dǎo)熱泳效應(yīng)，使石墨烯附著在光纖端面上，實現(xiàn)了脈沖激光輸出。通過可調(diào)諧濾光器可以實現(xiàn)1519. 3 ～ 1569.9 nm 寬帶調(diào)諧。波長為1556 nm 時，輸出功率1.192 mW，重復(fù)頻率9.7 kHz。2013 年H.Ahmad 采用類似的石墨烯飽和吸收體獲得了調(diào)諧范圍為1512. 5 ～ 1570.5 nm 脈沖激光，輸出功率1.4 mW，重復(fù)頻率55.3 kHz，脈沖寬度1.6 μs。

2014 年李和平等采用CVD 制備的單層石墨烯，四次轉(zhuǎn)移到光纖端面，形成了4 單層石墨烯飽和吸收體，并采用簡單線性諧振腔，獲得了緊湊型的光纖激光器。重復(fù)頻率68.7 kHz，脈沖寬度1.7 μs，單脈沖能量25.4 nJ。通過應(yīng)變可調(diào)諧光纖布拉格( Bragg) 光柵，可以實現(xiàn)1560.43 ～ 1566.27 nm連續(xù)調(diào)諧。同年Mengmeng Han 等采用“三明治”結(jié)構(gòu)石墨烯飽和吸收體，獲得了高能量脈沖激光器。波長為1559.2 nm 時，輸出功率1.82 mW，重復(fù)頻率49.29 kHz，脈沖寬度1.70 μs。通過帶有可調(diào)光延時線的馬赫- 澤徳爾( Mach - Zehnder) 干涉儀，可以實現(xiàn)1523.03 ～1558.65 nm 寬帶調(diào)諧。

3.1.3 雙波長、多波長輸出摻Er3 + 光纖激光器

早在2010 年Zhengqian Luo 等采用光學(xué)沉積法制備了石墨烯飽和吸收體，并采用雙反射峰的光纖Bragg 光柵，同時實現(xiàn)了1566.17、1566.35 nm 雙波長脈沖激光輸出。輸出功率1.1 mW，重復(fù)頻率65.9 kHz，脈沖寬度3.7 μs，通過改變光柵的軸向應(yīng)變，可以實現(xiàn)1566 ～ 1570 nm 窄帶調(diào)諧。2012 年H.Ahmad 采用類似的飽和吸收體，通過受激布里淵( Brillouin) 散射，實現(xiàn)11 個波長( 光譜范圍1550.1 ～1551.0 nm) 脈沖激光輸出。重復(fù)頻率152.40 kHz，脈沖寬度1.67 μs。同年Zhao Junqing 等將PVA 石墨烯薄片夾在光纖連接器之間，構(gòu)成飽和吸收體，并采用5 個反射峰的光纖Bragg 光柵，獲得了5 波長( 1548.012、1548.868、1549.948、1551.008、1551.992 nm)脈沖激光輸出。輸出功率17.3 mW，重復(fù)頻率132.9 kHz，脈沖寬度1.5 μs。2014 年H.Ahmad 等將氧化石墨烯沉積在光纖端面上，構(gòu)成飽和吸收體，獲得了1551.845、1551.873 nm 雙波長光子晶體光纖激光器。輸出功率0.086 mW，重復(fù)頻率31.0 kHz，脈沖寬度7.0 μs。

3.2 摻Tm3 + 光纖激光器

摻Tm3 + 光纖激光器的輸出波長為2 μm，屬于人眼安全激光，可以用于激光醫(yī)療、高分辨光譜學(xué)、激光雷達和材料處理等領(lǐng)域。

2013 年李雕等采用CVD 制備的石墨烯薄膜，轉(zhuǎn)移到鍍有2 μm 高反射膜的平面上，構(gòu)成了石墨烯飽和吸收鏡。以摻銩的光纖為增益介質(zhì)，采用簡單的線性諧振腔，獲得了1958 nm 被動調(diào)Q 脈沖激光輸出，平均功率26 mW，重復(fù)頻率116 kHz，脈沖寬度1.02 μs。同年M Jiang 等采用同樣的飽和吸收體獲得1957 nm 被動調(diào)Q 摻銩光纖激光器，輸出功率96 mW，重復(fù)頻率202 kHz，最窄脈沖寬度760 ns，如圖3 所示。

2013 年Chun Liu 等利用光學(xué)沉積方法將氧化石墨烯吸附在熔錐光線的側(cè)面，制備了氧化石墨烯飽和吸收體。利用光倏逝波與石墨烯的相互作用來實現(xiàn)調(diào)Q，這保證了石墨烯能夠更加安全耐用，損傷閾值更高。采用雙包層摻銩單模光纖作為增益介質(zhì)，采用線性諧振腔，獲得2032 nm 脈沖激光輸出，平均功率302 mW，重復(fù)頻率45 kHz，脈沖寬度3.8 μs，單脈沖能量達到6.71 μJ，其激光器示意圖如圖4 所示。

2013 年，H.Ahmad 利用光學(xué)沉積法，直接將氧化石墨烯沉積在光纖端面上，做成“三明治”結(jié)構(gòu)飽和吸收體，獲得了1941.7 nm 脈沖光纖激光器，輸出功率0.3 mW，重復(fù)頻率16.0 kHz，脈沖寬度9.8 μs。2014 年Norazlina Saidin 等石墨烯PVA 薄片放置兩個光纖端面之間構(gòu)成“三明治”結(jié)構(gòu)飽和吸收體實現(xiàn)了1900 nm 脈沖光纖激光器，輸出功率僅為1 mW，重復(fù)頻率13.1 kHz，最窄脈沖寬度16.9 μs。同年Yizhong Huang 等采用CVD 生長的單層石墨烯轉(zhuǎn)移到光纖端面上，構(gòu)成全光纖“三明治”結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了1980 nm 脈沖雙包層光纖激光器，平均功率28.6 mW，重復(fù)頻率27 kHz，脈沖寬度2.7 μs。

3.3 摻Y(jié)b3 + 光纖激光器

脈沖摻Y(jié)b3 + 光纖激光器是波長為1.0 ～1.2 μm 的通用激光光源，Yb3 + 具有相當(dāng)寬的吸收帶( 800 ～ 1064 nm) 泵浦源的選擇廣泛。2011 年劉江等報道了石墨烯被動調(diào)Q 摻鐿1064 nm 雙包層光纖激光器。他將寬帶全反鏡浸入到石墨烯PVA 溶液中充分接觸，并干燥，制備了反射式飽和吸收體。此反射鏡與光纖Bragg 光柵構(gòu)成了線性諧振腔。最大輸出功率為12 mW，最窄脈沖寬度70 ns，重復(fù)頻率為257 kHz。2012 年L. Zhang 等采用激光誘導(dǎo)沉積的方法制備了“三明治”結(jié)構(gòu)飽和吸收體，獲得了保偏1027.3 nm 全光纖激光器。平均功率為15.6 mW，重復(fù)頻率110 kHz，脈沖寬度1.3 μs。

2013 年Zhehua Yu 等報道了W 級氧化石墨烯被動調(diào)Q 雙包層1044 nm 光纖激光器。飽和吸收體采用的是“三明治”結(jié)構(gòu)： 首先將石英薄片浸入到氧化石墨烯溶液中，蒸發(fā); 氧化石墨烯就會沉積在薄片兩側(cè); 擦掉一側(cè)的氧化石墨烯，并鍍上高反膜，即形成反射式飽和吸收鏡; 然后在氧化石墨烯的上面附上石英薄片即構(gòu)成“三明治”結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。此結(jié)構(gòu)可以有效地減少空氣中氧氣對氧化石墨烯的影響，極大地提高損傷閾值。當(dāng)泵浦功率為7.8 W 時，可以獲得平均輸出功率1.8 W，重復(fù)頻率215 kHz，脈沖寬度為1.7 μs 的脈沖激光。

2014 年吳健等將CVD 法生長的單層石墨烯轉(zhuǎn)移到光纖端面上，構(gòu)成全光纖“三明治”結(jié)構(gòu)，獲得大脈沖能量雙包層光纖激光器，平均功率為46 mW，重復(fù)頻率26.46 kHz，脈沖寬度4.5 μs。張麗強直接采用SiC 外延生長的石墨烯作為調(diào)Q 開關(guān)，獲得可調(diào)諧被動調(diào)Q 雙波長光纖激光器。輸出功率35 mW，重復(fù)頻率53.04 kHz，脈沖寬度1.60 μs。采用石英濾光片可以實現(xiàn)1038.54 ～ 1056.22 nm 連續(xù)調(diào)諧。

3.4 Er∶Yb 共摻雜光纖激光器

2013 年Y.K.Yap 等采用光學(xué)沉積和光鑷效應(yīng)，將石墨烯沉積在光纖端面上，制作了“三明治”結(jié)構(gòu)的石墨烯飽和吸收體。采用Er∶Yb 共摻雜光纖作為增益介質(zhì)，首次采用簡單的線性諧振腔，獲得了1535 nm 被動調(diào)Q 光纖激光器。輸出功率25 mW，重復(fù)頻率70 kHz，最大單脈沖能量184 nJ。

2014 年吳端端將CVD 制作的單層石墨烯轉(zhuǎn)移到光纖端面上，制作了“三明治”結(jié)構(gòu)的飽和吸收體，實現(xiàn)了Er∶Yb 共摻雜雙包層被動調(diào)Q 全光纖激光器。單脈沖能量高達1.05 μJ，輸出功率25.6 mW，最窄脈沖帶寬2.6 μs; 并且通過可調(diào)諧FP 濾光片，可以實現(xiàn)1530.97 ～ 1546.92 nm。同年該作者采用一個同樣的飽和吸收體，實現(xiàn)了1.53 μm 脈沖Er 光纖激光器與1.06 μm 脈沖Er∶Yb 共摻雜光纖激光器同步雙波長輸出，如圖6 所示。波長1.06 μm 的單脈沖能量高達5.30 μJ，波長1.53 μm 的單脈沖能量達到1.20 μJ。Er∶Yb 共摻雜光纖激光器的輸出功率為33.5 mW，脈沖寬度3.9 μs; Er 光纖激光器輸出功率106.2 mW，重復(fù)頻率20. 03 kHz，最窄脈沖寬度3.1 μs。

4 石墨烯調(diào)Q 光纖激光器的發(fā)展趨勢

隨著光纖激光器與石墨烯技術(shù)的進步，石墨烯被動調(diào)Q 光纖激光器呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢。

4.1 性能優(yōu)良飽和吸收體的制作

被動調(diào)Q 光纖激光器，需要插入損耗小、性能穩(wěn)定、損傷閾值高、耦合效率高的石墨烯飽和吸收體。這需要在石墨烯制作的過程中，盡量減少缺陷和雜質(zhì)。很顯然，性能優(yōu)良的石墨烯飽和吸收體是被動調(diào)Q 光纖激光器發(fā)展的關(guān)鍵。如采用超聲波轉(zhuǎn)移法替代PMMA 轉(zhuǎn)移法制作的單層石墨烯石英片，“褶皺”( wrinkles) 和缺陷更少，相應(yīng)的散射損耗和吸收損耗更少。

4.2 調(diào)Q激光器性能指標(biāo)進一步提高

近年來石墨烯技術(shù)飛速發(fā)展，相應(yīng)光纖激光器的輸出功率、單脈沖能量、峰值功率進一步提高，脈沖寬度進一步壓縮。覆蓋的光譜范圍更寬，可以實現(xiàn)可調(diào)諧、雙波長及多波長同時輸出。

4.3 產(chǎn)品研究與開發(fā)

目前石墨烯被動鎖模光纖激光器已經(jīng)商品化，但石墨烯被動調(diào)Q 的光纖激光器產(chǎn)品，還未見報道。

5 結(jié)語

全固態(tài)激光技術(shù)是我國在國際上為數(shù)不多的從激光材料到系統(tǒng)集成都擁有整體優(yōu)勢的高技術(shù)領(lǐng)域之一，石墨烯被動調(diào)Q 光纖激光器的研究也非常活躍。本文詳細(xì)的介紹石墨烯飽和吸收體的制備，回顧了被動調(diào)Q 光纖激光器的研究現(xiàn)狀，并分析了其發(fā)展趨勢。對石墨烯被動調(diào)Q 光纖激光器的研究與發(fā)展，有一定的借鑒意義。(作者：廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院 福建省高校光電技術(shù)重點實驗室 林洪沂，黃曉樺，許英朝，肖旻)