金纳米可饱和吸收体被动调Q研究进展

文/邹国梁

（山东建筑大学理学院 山东省济南市 250101）

在过去几十年的科技发展长河中，激光技术和计算机技术、半导体技术、原子能技术一同被称为最重要的四大发明。从爱因斯坦受激辐射理论开启的先河，到十九世纪六十年代的第一台红宝石激光器问世，再到现在激光器在通信、军事、航天、医学和工业材料加工等领域大展身手，激光器的研究与发展同社会的进步紧密的结合在一起。从各国家科技发展的项目中也不难看出，激光器已受到各个国家的极大重视。

1 被动调Q技术

激光技术作为激光器发展的核心部分，一开始便受到各国科研工作人员的高度重视，其中调Q是实现脉冲激光的重要技术。调Q的原理是使用对光的透过率能够发生变化的器件去调节谐振腔内的损耗，实现对粒子反转数的贮存和释放。当粒子反转数达到较高程度时降低该器件对光的损耗，从而产生脉宽短、能量高的脉冲。而调Q技术根据它外部驱动源的不同又分为主动与被动调Q技术。尽管主动调Q易于控制激光器的脉冲重复频率或脉冲持续时间，但作为腔中调Q开关有着制作工艺复杂，灵活性差的缺陷。在原则上，具有基态和激发态能带结构的材料中可以观察到饱和吸收现象。饱和吸收体便是根据泡利阻塞原理工作的被动调制装置，它描述了由光强度引起的吸收变化。与主动调Q相比，被动调Q通过借助可饱和吸收体（SA）来实现Q调制，具有更高的性价比和易实现性。

2 传统可饱和吸收体介绍

作为被动调Q激光器的关键光学元件，SA材料的发展直接影响到脉冲激光器的质量。几十年来，各种掺杂晶体和不同价带及导带的半导体均被用作可饱和吸收体的基础材料，如Cr4+、V3+、Co3+离子掺杂晶体和半导体可饱和吸收镜（SESAM）等。然而，这些材料的调制范围受到其光学特性的限制，Cr4+：YAG在900-1200nm的波长范围内拥有良好的可饱和吸收性能，因此只被应用于1μm左右波段；V:YAG局限于1.3μm、1.4μm的波段激光器中；1996年Keller等用将SESAM应用于被动调Q激光器，后来则更多地是用在锁模技术中。随着发展，研究人员又开始对具有可调谐非线性吸收和宽带非线性光学响应等新特性的SA展开研究[1]。2002年，碳纳米管（CNT）因其半导体能带结构和低成本大规模生产的可能性而被提出作为替代物[2]。2009年，另一种碳基纳米材料石墨烯被发现具有有效的饱和吸收特性[3]。最近，拓扑绝缘体（TI）、过渡金属二羟基化合物（TMD）和黑磷（BP）也被认为是有效的饱和吸收材料。

3 金纳米材料

纳米金材料是指直径介于1-100nm微小金颗粒的统称，将金盐通过还原后形成的纳米金颗粒溶液也被人称为胶体金或金溶胶。纳米金稳定性较好、拥有小尺寸效应、表面效应、光学效应以及独特的生物亲和性，在工业加工、医药生产、生物化学分析、食品安全检测等领域具有广泛的应用。

据调查研究发现，时至今日针对纳米金材料的制备和它在不同领域的实践应用，研究者也得到有一定的实验结果。王飞等实现了金纳米颗粒的有序组装，被成功表面组装的金颗粒样品其吸收峰显示出大幅度的红移，将已有的金颗粒的适用维度进行了扩展[4]。谭信辉和其他相关人士发现了制备大面积表面金属光栅的途径，而且实验得到具有一定耦合效率的表面等离子激元耦合光栅[5]。

4 金纳米粒子可饱和吸收体研究概况

金纳米粒子的应用是由于金纳米粒子的优异物理性质，其主要来自表面等离子体共振（SPR）。SPR是一种与金属粒子表面的电子等离子体集体振荡有关的光学现象，具有两个重要的性质。首先，纳米结构中的光浓度导致了线性和非线性光学相互作用的极大增强。其次，金纳米粒子的恢复时间通常在几皮秒的快速时间尺度内，这是电子-声子和声子-声子相互作用过程的结果。金属纳米粒子这种在光学频率上的强增强SPR让它们具有了优异的性能，使其可作为可见光的散射体和吸收体，它们可能是一个理想的候选可见光波长调Q开关或锁模器。

近年来，金纳米粒子因其在光动力治疗、生物传感和近场超分辨成像等方面的应用而备受关注，金纳米粒子的非线性光学性质也因此得到了广泛的研究。在贵金属中，电子在导带中的相干集体振荡将引起较大的表面电场，当它们与共振光辐射相互作用时，可大大增强金纳米粒子（GNPs）的辐射特性。Joanna等[6]报道了金纳米棒在水溶液中的三阶非线性光学性质。Ji等[7]用离散偶极子近似模型计算金纳米结构的非线性吸收。Lin[8]导出了金纳米棒表面等离子体共振图。Li等[9]报道了由排列的金纳米棒引起的宏观薄膜中的各向异性和增强的非线性吸收。Lamarre等[10]测量了金纳米棒在二氧化硅基质中的各向异性非线性光学吸收系数。其中金纳米粒子由于具有大的三阶非线性、表面等离子体共振（SPR）引起的宽带吸收和很短的皮秒响应时间，因此被认为是构建全光纤调Q或锁模激光器最合适的SA。另外，与碳纳米管和石墨烯相比，由于其非线性吸收与三阶非线性系数成正比，用GNPs作为SA也很容易获得自启动调Q或锁模激光器。

5 金纳米棒可饱和吸收体被动调Q激光器

与GNPs相比，金纳米棒（GNRs）的结构是非球面对称的，由此产生的SPR具有各向异性。因此GNRs有两个SPR吸收带。一个是横向SPR吸收，来自垂直于杆轴向的电子共振。另一种是沿杆轴向产生电子共振的纵向SPR吸收。与横向SPR吸收相比，纵向SPR吸收可以通过改变GNRs的宽高比在宽范围内调谐。因此，利用GNRs作为SAs可以构造宽波长范围的调Q激光器。

2013年，Kang等[11]以GNRs为SA，设计了一种全光纤被动调Q掺铒光纤激光器，在980nm激光二极管泵浦的掺铒光纤激光器（EDFL）腔中插入SA，在阈值泵浦功率为27mW时获得稳定的被动调Q，在1560nm时获得4.8μs的脉冲宽度，在275mW的泵浦功率下获得39.9 kHz的脉冲重复率。

2015年，Huang等[12]在调Q Nd:YAG激光器中制备了表面等离子体共振峰为1063.8nm的GNRs，并将其作为SA进行了实验研究。在脉冲重复率20kHz时获得的最大脉冲能量为19μJ。表明了在全固态激光器中使用GNRs产生高能脉冲的可行性。同年，Joonhoi Koo等[13]用将金纳米棒（GNRs）/PVA复合沉积侧抛光纤维作为一种高效的可饱和吸收材料，用于全光纤化、高能调Q光纤激光器。他们制备的可饱和吸收体在1549.8nm波长处的调制深度约为7.5%。并证实在泵浦功率为229mW的光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔中，能够产生单脉冲能量为2.56μJ的稳定调Q脉冲输出。

2017年，Feng等[14]通过吸收峰波长为1080nm，调制深度约9%的GNRs，研究了调Q Nd:GAGG激光器在1061和1106nm下的性能。相应的最短脉冲宽度是250和480ns。进一步表明，GNR-SA是一种很有前途的纳秒体激光器可饱和吸收体。

2019年，Luo等[15]报道了一种利用大长宽比金纳米棒（LARGNRs）作为可饱和吸收体（SA）的可调谐被动调Q光纤激光器。用2.87μm超快脉冲对相应的非线性吸收进行了表征，调制深度为8.89%。将该材料引入可调谐Ho3+/Pr3+共掺ZBLAN光纤激光器中，获得了波长在2.83-2.88μm范围内的稳定调Q脉冲。当泵浦功率为307.2mW时，相应最大输出功率为30.8mW，重复频率为78.12 kHz，最短脉冲宽度为2.18μs，最大脉冲能量为0.48μJ。这表明LAR-GNRs是一种适用于中红外波段的多用途宽带SA材料。