基于多层石墨烯可饱和吸收体的被动调Q Ho:YAG激光器

崔　铮,陈　毅,姚宝权,段小明,申英杰,申作春,鲁建业,戴通宇

（哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室，黑龙江哈尔滨 150001）

基于多层石墨烯可饱和吸收体的被动调Q Ho:YAG激光器

崔铮,陈毅,姚宝权*,段小明,申英杰,申作春,鲁建业,戴通宇

（哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室，黑龙江哈尔滨 150001）

报道了2 μm被动调Q的Ho：YAG激光器，该激光器采用Tm3+光纤激光器作为泵浦源，使用多层石墨烯作为可饱和吸收体。在连续波激光输出模式下，当泵浦功率为4.2 W时，获得了750 mW激光输出，输出激光中心波长为2.09 μm，斜率效率为29.6%。在连续波激光器谐振腔中插入多层石墨烯可饱和吸收体并调整谐振腔，获得了脉冲激光输出。当泵浦功率为4.2 W时，获得最小脉冲宽度3.1 μs、重复频率66.6 kHz的脉冲激光输出，其最大平均输出功率为170 mW，斜率效率为12.6%，光束质量因子=1.15，=1.12。

固体激光器；被动调Q；Ho：YAG；多层石墨烯

1 引 言

2 μm波段的被动调Q固体激光器在很多领域有重要的应用，比如相干微分吸收激光雷达和激光遥感［1］、激光医疗［2］，光学参量振荡技术和光学参量放大技术［3］等。目前常用于实现2 μm固体激光器输出的激光介质主要为掺杂Tm3+/ Ho3+的激光介质。与单掺Tm3+及Tm3+、Ho3+共掺激光介质相比，单掺Ho3+激光介质由于具有较长的上能级寿命以及较大的发射截面，非常适合于被动调Q技术产生2 μm脉冲激光。目前，常见的饱和吸收体有Cr2+：ZnS［4-7］、Cr2+：ZnSe、PbS量子点材料、InGaAs/GaAs半导体材料［6］和石墨烯［8］。

石墨烯是由碳原子组成的完美二维晶体材料，它的晶格是6个碳原子围成的六边形。单层的石墨烯只有一个原子的厚度。石墨烯具有特殊的电学、光学和力学特性。在光学方面，由于其具有响应时间短、恢复时间快、高透过率和高损伤阈值等性质［9］，使其成为可饱和吸收体的理想材料。与Cr2+：ZnS和Cr2+：ZnSe可饱和吸收体相比，石墨烯使用方便、性质稳定且体积更小。与半导体可饱和吸收镜相比，石墨烯加工简便、成本低且具有更低的可饱和吸收阈值。更可贵的是，石墨烯在可见光到红外波段均具有可饱和吸收的特性［10］，因此石墨烯在被动调Q及被动锁模激光方面有很重要的价值。

2014年，Jin［3］与Yao［11］等使用石墨烯可饱和吸收体，先后报道了2 μm被动调Q Ho：YAG固体激光器，分别实现激光脉宽为632 ns、2.11 μs，激光重频为43 kHz、57.1 kHz的激光脉冲输出。Zhao等［12］报道了基于石墨烯的2 μm被动调Q Ho：YAG陶瓷激光器，输出激光脉宽为2.6 μs，重复频率达64 kHz。同年，Yao等［10］报道了2 μm被动调Q Ho：LuAG激光器，使用石墨烯可饱和吸收体实现了脉宽784.7 ns、重复频率47.3 kHz的短脉冲激光输出。2015年，Yao等［13］使用石墨烯可饱和吸收体，实现了2 μm被动调Q Ho：YLF固体激光器的短脉冲激光输出，其激光脉冲宽度为651.9 ns，重复频率为59.2 kHz。

基于以上考虑因素，我们的工作是通过使用石墨烯可饱和吸收体实现2 μm波段被动调Q的Ho：YAG激光。同文献［3］和［11］相比，本文使用的可饱和吸收体为多层石墨烯，其优点是调制深度更大、抗损伤阈值更高。本文实现了2 μm波段连续泵浦和被动调Q的Ho：YAG激光器。当泵浦光功率为4.2 W时，得到连续的2.09 μm激光输出，其功率为750 mW，斜率效率为29.6%。在被动调Q模式下，得到脉宽3.1 μs、重复频率66.6 kHz的激光脉冲输出，激光波长仍为2.09 μm，平均功率为170 mW，斜率效率为12.6%。

2 实验装置

共振泵浦的被动调Q Ho：YAG激光器实验装置如图1所示。泵浦源是中心波长为1.908 μm的掺Tm3+光纤激光器。Ho：YAG晶体的横截面尺寸为1.5 mm×6 mm，长度为30 mm，Ho3+的掺杂摩尔分数为1%。Ho：YAG晶体的两个端面均镀制了增透膜（2.1 μm，T＞99.9%；1.9 μm，T＞95%）。泵浦光束通过光束耦合系统汇聚至Ho：YAG晶体内，晶体内泵浦光束的半径小于160 μm。

图1　石墨烯被动调Q Ho：YAG激光器示意图Fig.1 Schematic diagram of paassively Q-switched Ho：YAG laser with graphene

为实现调Q Ho：YAG激光器，我们设计了一个平凹谐振腔。其中，M1是一面平面镜，对2.1 μm光束高反，对1.9 μm光束高透。M2是一面二色镜，对2.1 μm光束高反，对1.9 μm光束高透。M3是一面输出耦合镜，其曲率半径为100 mm，对2.1 μm光有2%的透过率。输出镜选择2%的透过率，是为了克服Ho激光的腔内损耗，从而降低激光阈值。石墨烯可饱和吸收体的直径为10 mm，为多层石墨烯。为了消除泵浦光反射对光纤激光器的影响，光纤的端面切割成5°角。

L型谐振腔的优点是能够防止泵浦光对石墨烯可饱和吸收体的影响。考虑到Ho：YAG晶体及其他光学元件的尺寸，为了减小菲涅耳衍射损耗对激光器输出的影响，谐振腔的长度应越短越好。基于以上考虑，谐振腔的物理长度选择为75 mm。通过Matlab软件，我们对Ho：YAG激光器谐振腔内的光束半径进行了计算。图2展示了模拟的结果。在Ho：YAG晶体的中间位置，基模光斑半径大约为190 μm，石墨烯上基模光斑半径大约为261 μm。Ho：YAG晶体包裹在铟箔内并压装入一个铜制热沉中。晶体内的热沉积由晶体的径向通过水冷散热装置散除，从而使晶体的温度稳定在15℃。

图2　2.09 μm调Q Ho：YAG激光器谐振腔内的光束半径Fig.2 Beam radius of 2.09 μm Q-switched Ho：YAG laser inside the resonator

3 结果与讨论

本实验中，我们首先调制了连续波输出的Ho：YAG激光器，激光输出中心波长为2.09 μm。当入射泵浦功率为4.2 W时，得到750 mW的连续输出。相较于入射泵浦功率，斜率效率为29.6%。之后，石墨烯可饱和吸收体被插入谐振腔，调整谐振腔，得到调Q脉冲输出。在调Q模式下，阈值泵浦功率提升至3 W。当入射泵浦功率为4.2 W时，平均输出功率为170 mW，Ho：YAG激光的斜率效率为12.6%。调Q模式下的Ho：YAG激光器的平均输出功率及斜率效率均小于其连续输出模式，原因是调Q模式下插入的石墨烯可饱和吸收体带来了腔内损耗。图3展示了连续输出模式及调Q模式下，随着Tm光纤激光器泵浦功率的不同，Ho：YAG激光器的输出功率的变化。

在调Q模式下，脉冲宽度和脉冲重复频率随入射泵浦功率的变化关系如图4、图5所示。当入射功率接近阈值泵浦功率时，脉冲宽度为3.7 μs。随着入射泵浦功率逐渐增大至最大值4.2 W，脉冲宽度近似线性地下降至3.1 μs。而当入射功率大于阈值泵浦功率时，脉冲重复频率与入射功率呈近似线性关系。当入射功率从3 W增加至4.2 W时，脉冲重复频率从18.2 kHz增加至66.6 kHz。图6展示了调Q输出单脉冲能量与入射泵浦功率的关系。当入射泵浦功率由3 W增加到4.2 W时，被动调Q Ho：YAG激光器输出的单脉冲能量由1.65 μJ增大至2.6 μJ。

图3　插入石墨烯前后的Ho：YAG激光器的泵浦功率和输出功率的关系Fig.3 Output power vs.pump power of Ho：YAG laser with and without graphene

图4　调Q模式下的脉冲宽度与入射泵浦功率的关系Fig.4 Pulse width vs.incident pump power for Q-switched operation

图5　调Q模式下的脉冲重复频率与入射泵浦功率的关系Fig.5 Pulse repetition rate vs.incident pump power for Q-switched operation

2.09μm调Q激光脉冲的时间特性由Lecroy数字示波器（64Xs系列，2.5 G-采样/s，600 MHz带宽）测量。调整Q开关，微调石墨烯的位置使激光从理想的位置入射，得到了稳定的调Q Ho：YAG激光输出。图7（a）展示了当泵浦功率刚刚达到阈值泵浦功率3 W时，利用InGaAs探测器得到的调Q Ho：YAG激光脉冲序列；图7（b）所示为相应的单脉冲波形，其脉冲宽度为3.7 μs。同理，提升泵浦功率达到4.2 W的调Q Ho：YAG激光脉冲序列如图8（a）所示，其单脉冲波形见图8（b），脉冲宽度变窄至3.1 μs。

图9展示了Ho：YAG调Q激光器在平均输出功率为170 mW时，激光光束在空间的传播特性。光束通过一个曲率半径为100 mm的正聚焦透镜。利用90/10刀口法，测量了几个不同位置处光束的1/e2半径。利用高斯光束拟合，拟合结果为水平方向上=1.15，垂直方向上=1.12，这充分表明光束的传输接近衍射极限。

图7　（a）泵浦功率为3 W时的Ho：YAG被动调Q激光脉冲序列；（b）相应的单脉冲波形。Fig.7 （a）Pulse train of the Q-switched Ho：YAG laser with the pump power of 3 W.（b）Corresponding pulse profiles of the Q-switched Ho：YAG laser.

图8　（a）泵浦功率为4.2 W时的Ho：YAG调Q激光脉冲序列；（b）相应的单脉冲波形。Fig.8 （a）Pulse train of the Q-switched Ho：YAG laser with the pump power of 4.2 W.（b）Corresponding pulse profiles of the Q-switched Ho：YAG laser.

图9　焦点处调Q脉冲在水平（x）方向及竖直（y）方向的光斑尺寸（1/e2）Fig.9 Spot size（1/e2）of the Q-switched output beam around the focus in horizontal（x）direction and longitudinal（y）direction

4 结 论

以一台1.908 μm掺Tm3+光纤激光器为泵浦源，多层石墨烯为可饱和吸收体，实现了2.09 μm Ho：YAG固体激光器的连续波输出及被动调Q脉冲输出。当泵浦功率为4.2 W时，获得最大连续波激光输出功率750 mW，其斜率效率为29.6%。插入多层石墨烯可饱和吸收体并调整谐振腔后，得到脉冲宽度3.1 μs、重复频率66.6 kHz的连续脉冲输出，其平均输出功率为170 mW，斜率效率为12.6%。这项工作将有助于推动石墨烯被动调Q激光器的实用化。

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崔铮（1987-），男，黑龙江富锦人，博士研究生，2012年于哈尔滨工业大学获得硕士学位，主要从事中红外波段固体激光器的研究。

E-mail：cuizheng3333@163.com

姚宝权（1970-），男，辽宁庄河人，教授，博士生导师，2002年于哈尔滨工业大学获得博士学位，主要从事中长波红外非线性光学频率转换技术及其在医疗和光电对抗方面应用的研究。

E-mail：yaobq08@hit.edu.cn

Passively Q-switched Ho:YAG Laser with Multilayer Graphene-based Saturable Absorber

CUI Zheng，CHEN Yi，YAO Bao-quan*，DUAN Xiao-ming，SHEN Ying-jie，
SHEN Zuo-chun，LU Jian-ye，DAI Tong-yu
（National Key Lab of Tunable Laser Technology，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）
*Corresponding Author，E-mail：yaobq08@hit.edu.cn

A 2 μm passively Q-switched（PQS）Ho：YAG laser pumped by a Tm3+fiber laser was demonstrated with a multilayer graphene as the saturable absorber.In the continuous wave（CW）mode，a 2.09 μm laser with the output power of 750 mW was obtained at the incident pump power of 4.2 W，corresponding to the slope efficiency of 29.6%.By inserting a multilayer graphene as the saturable absorber and adjusting the cavity，we achieved passively Q-switched laser pulses.The minimum pulse duration was obtained at the pump power of 4.2 W with the repetition rate of 66.6 kHz and the pulse width of 3.1 μs.The maximum output power of 170 mW was achieved，corresponding to the slope efficiency of 12.6%.The beam quality factors are M2x=1.15 and M2y=1.12，respectively.

solid-state lasers；passively Q-switched；Ho：YAG；multilayer graphene

TN24

A

10.3788/fgxb20163706.0696

1000-7032（2016）06-0696-05

2016-01-30；

2016-03-23

国家自然科学基金（61308009，61405047）；中国博士后科学基金（2015M570290）；哈尔滨工业大学科研创新基金（HIT. NSRIF.2014044，HIT.NSRIF.2015042）；黑龙江省杰出青年科学基金（JQ201310）；黑龙江省博士后科学基金（LBHZ14085）资助项目