石墨烯被动调Q光纤激光器研究进展

林洪沂，黄晓桦，许英朝，肖 旻

(1.厦门理工学院光电与通信工程学院，福建厦门361024;2.福建省高校光电技术重点实验室，福建厦门361024)

1 引言

光纤激光器与其他激光器相比，具有效率高、稳定性好、体积小和光束质量好等优点，广泛应用于材料加工、光纤通信、大气光学、激光医疗、军事等多个领域。尤其是脉冲激光器已经成为激光制造和激光通信的关键设备。光纤激光器可以采用锁模和调Q两种方法来实现脉冲输出。调Q与锁模相比，具有更高的单脉冲能量，较宽的脉冲宽度和更宽的转换效率［1－3］。光纤激光器的调Q方式主要有主动、被动两种。主动调Q需要外加声光、电光转换装置来改变谐振腔Q值，结构复杂。被动调Q是利用饱和吸收材料(如掺杂过渡金属材料或者半导体材料)或者光纤中的布里渊散射效应来改变谐振腔内的Q值来实现的，其特点是结构简单紧凑。

Cr∶YAG与半导体饱和吸收镜是备受青睐的饱和吸收体，但是 Cr∶YAG吸收带宽(0.8～1.2 μm)有限，且与光纤耦合性很差，不能完全满足光纤激光器的要求［1］。半导体饱和吸收镜制作封装工艺复杂，工作波段也很窄。碳纳米管作为饱和吸收体具有可饱和吸收强度大、响应时间快、成本低价格便宜的优点，但是其工作波长与纳米管直径和手性有关。可以采用多种不同直径的碳纳米管以实现宽带吸收，但是这又会引入额外的损耗，增加调Q的难度。与半导体饱和吸收镜、Cr∶YAG、碳纳米管相比，石墨烯与氧化石墨烯具有完美的光学特性，如吸收强度大、工作波段更宽(可见光到中红外)、响应时间超快(100 fs)、损伤阈值高，而且制作简单、价格低廉、与光纤耦合性好，是被动调Q光纤激光器的理想材料［4－6］。

2 石墨烯饱和吸收体

2.1 石墨烯饱和吸收特性

石墨烯具有特殊的光学与电学特性，和其他大多数二维纳米材料不同，它有一个零带隙能带结构［4－7］。理想的石墨烯能带是完全对称的锥型导带和价带对称的分布在费米能级上下，导带与价带交叉点为狄拉克点。这种特殊结构决定了石墨烯对光的响应与波长无关，其工作光谱范围更宽。石墨烯具有非常良好的非线性光学吸收特性。当入射光比较弱时，处在价带的电子会吸收光子能量跃迁到导带，石墨烯的吸收系数较大。而入射光足够强时，导带将被新产生的电子填满，阻碍了石墨烯吸收更多光子，因此吸收系数减少［7］。单层石墨烯的能级结构如图1所示。

图1 单层石墨烯的能级结构Fig.1 The energy level of mono－layer grapheme

2.2 石墨烯饱和吸收体的制作

石墨烯具有良好的饱和吸收特性，需要采用不同方法来制备调Q开关［8］。在光纤激光器方面，目前有四种有效的方法。石墨烯饱和吸收体的制备方法如图2所示。

图2 石墨烯饱和吸收体的制备方法Fig.2 Various graphene－SA integration methods for fiber laser

2.2.1 “三明治”结构

“三明治”结构被动调Q饱和吸收体是目前最简单最有效使用最多的结构。把石墨烯置于两个光纤端面之间，构成“三明治”结构。制作方法有:①可以将化学气相沉积法(CVD)制备的石墨烯薄片;或者利用石墨烯和大分子材料混合而成的复合材料薄膜直接夹在光纤连接器之间构成“三明治”结构。②也可以利用激光诱导沉积的方法，直接将石墨烯分散液中的石墨烯通过电泳效应沉积在光纤端面上。③通过“喷雾”法，把制备的石墨烯溶液喷洒在光纤端面上，烘干。④甚至也可以将CVD制备的石墨烯，直接转移单光纤端面上。

采用此种办法制备的石墨烯调Q开关属于透射式结构，光纤耦合损耗较小，基本可以实现全光纤结构。缺点是损伤阈值较低，输出功率不高。

2.2.2 内部镶嵌结构

将石墨烯分散液注入到一根中空或者光子晶体光纤中，烘干即可。这种方法制备的饱和吸收体损伤阈值较高，结构简单紧凑，引入的损耗较少，可以实现光纤激光器的全光纤结构。

2.2.3 光倏逝波耦合结构

利用光倏逝波与石墨烯的相互作用也可以制作饱和吸收体，由于仅部分光与石墨烯相互作用，因而损伤阈值更高。其主要结构有D型光纤和锥型光纤。

2.2.4 腔镜反射式结构

可以将石墨烯直接沉积或者转移到宽度反射镜上，构成反射式饱和吸收体。将此饱和吸收反射镜作为一个谐振腔的腔镜，来实现被动调Q。这种方法制作比较简单，但不是全光纤结构，结构比较复杂，耦合效率比较低。大部分应用于线型腔光纤激光器。

3 石墨烯调Q光纤激光器研究进展

光纤激光器是用掺稀土元素的光纤作为增益介质的激光器，常见的掺杂离子主要有Er3+、Yb3+、Tm3+、Ho3+以及 Nd3+等。

3.1 掺Er3+光纤激光器

掺Er3+光纤在波长1.5～3 μm附近具有很高的增益，且对应光纤低损耗第三通信窗口。石墨烯被动调Q Er3+光纤激光器是研究最广泛、最多的光纤激光器，发展十分迅速。

3.1.1 单波长输出掺Er3+光纤激光器

2013年王晓龙等采用光诱导沉积法将石墨烯吸附于光纤的端面上，并与光纤连接器制备了“三明治”结构的饱和吸收体，实现了1564 nm脉冲激光输出，输出功率2.08 mW，重复频率28 kHz，脉冲宽度3 μs［9］。2013 年 Chen Wei类似结构的石墨烯饱和吸收体获得了2.78 μm被动调Q掺Er3+氟化物光纤激光器，输出功率62 mW，重复频率37 kHz，脉冲宽度2.9 μs［10］。2014 年 R.Z.R.R.Rosdin 等采用聚乙烯醇(PVA)石墨烯薄片直接夹在光纤连接器之间，构成“三明治”结构饱和吸收体，获得1560 nm脉冲激光，重复频率 27.0 kHz，脉冲宽度 3.56 μs［11］。

3.1.2 可调谐掺Er3+光纤激光器

2011年剑桥大学D.Popa等，采用石墨烯PVA饱和吸收体，获得了掺Er3+光纤激光器，并采用可调谐带通滤器，实现了1522～1555 nm输出［12］。输出功率 3.4 mW，重复频率 103 kHz，脉冲宽度 2 μs。2012年W J Cao等采用光诱导热泳效应，使石墨烯附着在光纤端面上，实现了脉冲激光输出［13］。通过可调谐滤光器可以实现1519.3～1569.9 nm宽带调谐。波长为1556 nm时，输出功率1.192 mW，重复频率9.7 kHz。2013年H.Ahmad采用类似的石墨烯饱和吸收体获得了调谐范围为1512.5～1570.5 nm脉冲激光，输出功率 1.4 mW，重复频率 55.3 kHz，脉冲宽度 1.6 μs［14］。

2014年李和平等采用CVD制备的单层石墨烯，四次转移到光纤端面，形成了4单层石墨烯饱和吸收体，并采用简单线性谐振腔，获得了紧凑型的光纤激光器［15］。重复频率 68.7 kHz，脉冲宽度1.7 μs，单脉冲能量 25.4 nJ。通过应变可调谐光纤布拉格(Bragg)光栅，可以实现1560.43 ～1566.27 nm连续调谐。同年Mengmeng Han等采用“三明治”结构石墨烯饱和吸收体，获得了高能量脉冲激光器［16］。波长为1559.2 nm时，输出功率1.82 mW，重复频率49.29 kHz，脉冲宽度 1.70 μs。通过带有可调光延时线的马赫－泽徳尔(Mach－Zehnder)干涉仪，可以实现1523.03 ～1558.65 nm 宽带调谐。

3.1.3 双波长、多波长输出掺Er3+光纤激光器

早在2010年Zhengqian Luo等采用光学沉积法制备了石墨烯饱和吸收体，并采用双反射峰的光纤Bragg 光栅，同时实现了 1566.17、1566.35 nm 双波长脉冲激光输出［17］。输出功率 1.1 mW，重复频率65.9 kHz，脉冲宽度 3.7 μs，通过改变光栅的轴向应变，可以实现1566～1570 nm窄带调谐。2012年H.Ahmad采用类似的饱和吸收体，通过受激布里渊(Brillouin)散射，实现11个波长(光谱范围1550.1～1551.0 nm)脉冲激光输出［18］。重复频率 152.40 kHz，脉冲宽度1.67 μs。同年Zhao Junqing等将PVA石墨烯薄片夹在光纤连接器之间，构成饱和吸收体，并采用5个反射峰的光纤Bragg光栅，获得了5波长(1548.012、1548.868、1549.948、1551.008、1551.992 nm)脉冲激光输出［19］。输出功率17.3 mW，重复频率132.9 kHz，脉冲宽度 1.5 μs。2014 年 H.Ahmad 等将氧化石墨烯沉积在光纤端面上，构成饱和吸收体，获得了1551.845、1551.873 nm双波长光子晶体光纤激光器。输出功率0.086 mW，重复频率31.0 kHz，脉冲宽度 7.0 μs［20］。

3.2 掺Tm3+光纤激光器

掺Tm3+光纤激光器的输出波长为2 μm，属于人眼安全激光，可以用于激光医疗、高分辨光谱学、激光雷达和材料处理等领域。

2013年李雕等采用CVD制备的石墨烯薄膜，转移到镀有2 μm高反射膜的平面上，构成了石墨烯饱和吸收镜［21］。以掺铥的光纤为增益介质，采用简单的线性谐振腔，获得了1958 nm被动调Q脉冲激光输出，平均功率26 mW，重复频率116 kHz，脉冲宽度1.02 μs。同年 M Jiang等采用同样的饱和吸收体获得1957 nm被动调Q掺铥光纤激光器，输出功率96 mW，重复频率202 kHz，最窄脉冲宽度760 ns［22］，如图3所示。

图3 基于石墨烯饱和吸收镜的被动调Q掺Tm3+光纤激光器［22］Fig.3 Experimental setup of the Q－switched Tm3+－doped fiber laser based on the graphene saturable absorber mirror

2013年Chun Liu等利用光学沉积方法将氧化石墨烯吸附在熔锥光线的侧面，制备了氧化石墨烯饱和吸收体［23］。利用光倏逝波与石墨烯的相互作用来实现调Q，这保证了石墨烯能够更加安全耐用，损伤阈值更高。采用双包层掺铥单模光纤作为增益介质，采用线性谐振腔，获得2032 nm脉冲激光输出，平均功率302 mW，重复频率45 kHz，脉冲宽度3.8 μs，单脉冲能量达到 6.71 μJ，其激光器示意图如图4所示。

图4 被动调Q掺铥光纤激光器示意图Fig.4 Schematic of a passively Q－switched Tm3+－doped double－clad fiber laser

2013年，H.Ahmad利用光学沉积法，直接将氧化石墨烯沉积在光纤端面上，做成“三明治”结构饱和吸收体，获得了1941.7 nm脉冲光纤激光器，输出功率 0.3 mW，重复频率 16.0 kHz，脉冲宽度 9.8 μs［24］。2014年Norazlina Saidin等石墨烯PVA薄片放置两个光纤端面之间构成“三明治”结构饱和吸收体实现了1900 nm脉冲光纤激光器，输出功率仅为1 mW，重复频率 13.1 kHz，最窄脉冲宽度 16.9 μs［25］。同年Yizhong Huang等采用CVD生长的单层石墨烯转移到光纤端面上，构成全光纤“三明治”结构，实现了1980 nm脉冲双包层光纤激光器，平均功率28.6 mW，重复频率 27 kHz，脉冲宽度 2.7 μs［26］。

3.3 掺Yb3+光纤激光器

脉冲掺 Yb3+光纤激光器是波长为 1.0～1.2 μm的通用激光光源，Yb3+具有相当宽的吸收带(800～1064 nm)泵浦源的选择广泛。2011年刘江等报道了石墨烯被动调Q掺镱1064 nm双包层光纤激光器［27－28］。他将宽带全反镜浸入到石墨烯PVA溶液中充分接触，并干燥，制备了反射式饱和吸收体。此反射镜与光纤Bragg光栅构成了线性谐振腔。最大输出功率为12 mW，最窄脉冲宽度70 ns，重复频率为257 kHz。2012年 L.Zhang等采用激光诱导沉积的方法制备了“三明治”结构饱和吸收体，获得了保偏1027.3 nm全光纤激光器。平均功率为15.6 mW，重复频率110 kHz，脉冲宽度1.3 μs［29］。

2013年Zhehua Yu等报道了W级氧化石墨烯被动调Q双包层1044 nm光纤激光器［30］。饱和吸收体采用的是“三明治”结构:首先将石英薄片浸入到氧化石墨烯溶液中，蒸发;氧化石墨烯就会沉积在薄片两侧;擦掉一侧的氧化石墨烯，并镀上高反膜，即形成反射式饱和吸收镜;然后在氧化石墨烯的上面附上石英薄片即构成“三明治”结构，如图5所示。此结构可以有效地减少空气中氧气对氧化石墨烯的影响，极大地提高损伤阈值。当泵浦功率为7.8 W时，可以获得平均输出功率1.8 W，重复频率215 kHz，脉冲宽度为 1.7 μs的脉冲激光。

图5 氧化石墨烯“三明治”结构饱和吸收体的制备过程Fig.5 Procedure for the fabrication ot the graphene oxide absorber

2014年吴健等将CVD法生长的单层石墨烯转移到光纤端面上，构成全光纤“三明治”结构，获得大脉冲能量双包层光纤激光器，平均功率为46 mW，重复频率 26.46 kHz，脉冲宽度 4.5 μs［31］。张丽强直接采用SiC外延生长的石墨烯作为调Q开关，获得可调谐被动调Q双波长光纤激光器［32］。输出功率 35 mW，重复频率 53.04 kHz，脉冲宽度1.60 μs。采用石英滤光片可以实现1038.54～1056.22 nm连续调谐。

3.4 Er∶Yb共掺杂光纤激光器

2013年Y.K.Yap等采用光学沉积和光镊效应，将石墨烯沉积在光纤端面上，制作了“三明治”结构的石墨烯饱和吸收体［33］。采用Er∶Yb共掺杂光纤作为增益介质，首次采用简单的线性谐振腔，获得了1535 nm被动调Q光纤激光器。输出功率25 mW，重复频率70 kHz，最大单脉冲能量184 nJ。

2014年吴端端将CVD制作的单层石墨烯转移到光纤端面上，制作了“三明治”结构的饱和吸收体，实现了Er∶Yb共掺杂双包层被动调Q全光纤激光器［34］。单脉冲能量高达 1.05 μJ，输出功率25.6 mW，最窄脉冲带宽 2.6 μs;并且通过可调谐FP滤光片，可以实现1530.97～1546.92 nm。同年该作者采用一个同样的饱和吸收体，实现了1.53 μm 脉冲 Er 光纤激光器与 1.06 μm 脉冲Er∶Yb共掺杂光纤激光器同步双波长输出［35］，如图6所示。波长 1.06 μm的单脉冲能量高达5.30 μJ，波 长 1.53 μm 的 单 脉 冲 能 量 达 到1.20 μJ。Er∶Yb 共掺杂光纤激光器的输出功率为33.5 mW，脉冲宽度 3.9 μs;Er光纤激光器输出功率106.2 mW，重复频率20.03 kHz，最窄脉冲宽度3.1 μs。

图6 被动同步调Q光纤激光器Fig.6 Schematic of the passively synchronized Q－switched fiber laser

4 石墨烯调Q光纤激光器的发展趋势

随着光纤激光器与石墨烯技术的进步，石墨烯被动调Q光纤激光器呈现出新的发展趋势。

4.1 性能优良饱和吸收体的制作

被动调Q光纤激光器，需要插入损耗小、性能稳定、损伤阈值高、耦合效率高的石墨烯饱和吸收体。这需要在石墨烯制作的过程中，尽量减少缺陷和杂质。很显然，性能优良的石墨烯饱和吸收体是被动调Q光纤激光器发展的关键。如采用超声波转移法替代PMMA转移法制作的单层石墨烯石英片，“褶皱”(wrinkles)和缺陷更少，相应的散射损耗和吸收损耗更少。

4.2 调Q激光器性能指标进一步提高

近年来石墨烯技术飞速发展，相应光纤激光器的输出功率、单脉冲能量、峰值功率进一步提高，脉冲宽度进一步压缩。覆盖的光谱范围更宽，可以实现可调谐、双波长及多波长同时输出。

4.3 产品研究与开发

目前石墨烯被动锁模光纤激光器已经商品化，但石墨烯被动调 Q的光纤激光器产品，还未见报道。

5 结语

全固态激光技术是我国在国际上为数不多的从激光材料到系统集成都拥有整体优势的高技术领域之一，石墨烯被动调Q光纤激光器的研究也非常活跃。本文详细的介绍石墨烯饱和吸收体的制备，回顾了被动调Q光纤激光器的研究现状，并分析了其发展趋势。对石墨烯被动调Q光纤激光器的研究与发展，有一定的借鉴意义。

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