基于锑烯纳米片的被动调Q激光器

洪 弘,周 貌,陈鸿玲,张沛雄,李 真,尹 浩,陈振强

(1.广东省晶体与激光技术工程研究中心，广州 510632； 2.暨南大学理工学院光电工程系，广州 510632)

0 引 言

自石墨烯被成功剥离后，世界上掀起一股研究二维材料晶体的热潮[1]。过渡金属硫化物(TMDCs)[2-5]、金属卤化物[6-8]、金属氧化物[9-12]和黑磷(BP)[13-14]等二维材料逐渐被科学家们所研究，构成了丰富的二维材料家族。其中黑磷由于高载流子迁移率和独特的可调谐带隙引起了研究人员的广泛关注，但易氧化特性在很大程度上限制了其应用[15]。近几年，除石墨烯以外的其他单原子层单质材料(Xenes)如锗烯、砷烯、锑烯、铋烯、碲烯[16-20]等被广泛地进行研究。这种单原子层单质材料的表面原子几乎完全裸露，相比于其他材料，具有更高的原子利用率，且可以通过厚度和掺杂控制，使得其在电子学、光子学，和加工领域具有很多富有想象力的潜在应用。其中，位于V族中的单族元素锑，由第一性原理计算预测锑烯具有强的稳定性和优异的光电性能[21]。单层锑烯为间接带隙半导体且只需要加一点应变就可以诱导成直接带隙半导体，形成0～2.28 eV范围内的宽带隙调谐特性，满足大部分光电子器件的需求，且其具有高载流子迁移率、良好的长期稳定性和显著的非线性光学性质[22-23]，表明单质锑具有丰富的潜在应用场景。

脉冲激光在医学治疗、光谱分析、科学研究等方面具有重要的应用前景[24-26]。然而，当前能够满足应用需求的光开关器件种类有限，且复杂的制造工艺、高成本和窄带宽的缺点也限制了脉冲激光的进一步应用。基于可饱和吸收体(SA)的固体激光器由于其成本低、结构紧凑、简单等优点，在被动调Q和锁模方面一直有着广泛的应用，在通信、生物学、材料学、医用等领域发挥着重要作用[27-30]。目前，基于锑烯纳米片作为可饱和吸收体的946 nm、1 064 nm和1.5 μm等波长的被动调Q激光器均有报道[31-32]，但1.3 μm波长的被动调Q激光仍尚未报道。

本文基于液相剥离法，结合超声剥离之前充分的预研磨处理，设计了一种预研磨的液相剥离法，制备出的锑烯样品用作可饱和吸收体。对制备出的锑烯样品的特性进行了系统表征，结合b切的Nd∶GYAP(Nd∶Gd0.1Y0.9AlO3)作为激光介质的激光器，首次实现了1.3 μm波长的被动调Q激光，在最大吸收泵浦功率为3.07 W时，获得424 kHz重复频率和1.14 W峰值功率的脉冲激光输出，对应脉冲宽度为589 ns。

1 锑烯的制备与表征

1.1 样品制备

本文采用改进后的预研磨液相剥离法，成功地在K9玻璃衬底上制备了超薄层锑烯纳米片可饱和吸收体。如图1所示，与之前报道的制备方法相比，本文在对样品进行超声剥落之前，先对样品进行充分地预研磨处理，从而使整个液相剥离过程更加完善和有效。首先，将原始锑粉(阿拉丁，质量分数99.99%)放入玛瑙研钵中，同时加入2 mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)辅助30 min研磨，预研磨产生的沿层表面的剪切力有利于形成表面光滑、大而薄的锑板。然后，将混合物分散在纯NMP中并搅拌形成悬浮液，同时添加适量的表面活性剂(油酸，OA)，通过20 h不间断的超声处理，使得悬浮液中的锑板上的锑烯分层剥落。溶液经过超声、离心后，其上清液中含有小层数的锑烯。为了制备均匀的二维锑烯晶体，将获得的上清液滴到K9玻璃衬底上，用旋涂机使其均匀铺展，最后在恒温60 ℃的烘箱中干燥24 h。

图1 锑烯纳米片的制备过程Fig.1 Fabrication process for antimonene nanosheets

1.2 样品形貌与基本性质表征

拉曼光谱是表征二维材料的一种有效方法，它可以提供材料振动和旋转模式的细节。如图2(a)所示，通过532 nm激光源激发的拉曼光谱仪，进一步测量了锑烯的拉曼光谱，以表征其物质成分与晶体结构。图中观察到大约在110.4 cm-1和148.4 cm-1处有两个主峰，对应于大块锑的Eg和A1g一阶拉曼模式，与其他文献匹配良好[33-34]，结合X射线衍射(XRD)图谱，可证明产品是锑烯。为了对样品形貌进行直接观测，利用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)对制备的锑烯可饱和吸收体进行了表征，从图2(c)可以看出，锑烯纳米片呈现表面光滑的片状形貌，层间微观结构通过范德华力堆叠在一起。此外，使用原子力显微镜(AFM)观察锑烯的表面结构，如图2(d)所示，图中所画出的白线轮廓高度由图2(e)中的曲线表示，可以看出，所得锑烯纳米片的厚度在12～35 nm之间。最后，作为进一步光学实验的基础，用UV-Vis-NIR分光光度计(UV-3150，日本岛津)测量了锑烯纳米片在800～1 600 nm波长范围内的线性光透射曲线，可以看出其透射曲线相对平坦。作为参考的K9玻璃片的透射光谱显示出其在1 341 nm处的透射比为92.238%，而在1 341 nm处沉积有锑烯纳米片的K9玻璃衬底的透射比为90.705%。考虑到衬底的损耗，计算出锑烯纳米片的线性光学损耗约为1.533%。

图2 (a)用532 nm激发的锑烯拉曼光谱;(b)锑烯纳米片的XRD图谱;(c)比例尺为500 nm的锑烯FE-SEM照片(d)锑烯纳米片的AFM照片;(e)沿(d)中白线的相应高度剖面; (f)线性透过率Fig.2 (a)The typical Raman spectra of antimonene; (b)XRD image of antimonene nanosheets; (c) FE-SEM image of antimonene with a scale of 200 nm; (d) AFM image of antimonene nanosheets; (e) corresponding height profile along the white line in (d); (f) linear optical transmission

2 实验装置

如图3所示，将制备的锑烯可饱和吸收体和利用提拉法生长的Nd∶GYAP晶体组合，共同搭建一个调Q激光器。激光器的泵浦源采用发射波长为808 nm，纤芯直径为100 μm，数值孔径为0.22的光纤耦合半导体激光器；增益介质采用Nd3+掺杂浓度(原子数分数)为1%，尺寸为4 mm×4 mm×5 mm的Nd∶GYAP激光晶体，对泵浦光的吸收效率为70%。对曲率半径为100 mm的输入镜M1进行镀膜，使其对808 nm的光具有高透射率和1.3 μm的光具有高反射率。输出耦合器M2是一个平面镜，对1.3 μm的光透射率为5%。泵浦光束通过光学成像系统(1∶2成像模块)聚焦后耦合到光斑半径为100 μm的Nd∶GYAP激光晶体中。激光晶体沿b轴切割和抛光，同时为了有效降低热透镜效应，将激光晶体包裹于铟箔中，并在17 ℃下放置在带有循环冷却水的铜块中进行散热。输入输出镜均为进行了镀膜处理的反射镜，且激光谐振腔长为25 mm。将作为可饱和吸收体的附着锑烯纳米片的K9衬底插入输出镜附近，在输出耦合器的后端放置一个1 000 nm长波通滤波器(Thorlabs，FEL 1000)，以阻挡泵浦光。为分析输出激光特性, 使用了安捷伦数字示波器(DSO90604A，6 GHz)、快速InGaAs光电探测器(Thorlabs，DET08C/M)、光谱分析仪(Zolix，Omni-λ300)。

图3 被动调Q Nd∶GYAP激光器实验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of the experimental setup of the passively Q-switched Nd∶GYAP laser

3 结果与讨论

3.1 连续与调Q激光功率特性

在没有将锑烯样品加入谐振腔前，激光器实现连续波激光输出，其输出功率如图4所示，可以看出，连续激光的阈值吸收泵浦功率为0.82 W，当吸收泵浦功率为3.07 W时，连续激光最大输出功率为466 mW，对应效率为20.1%。将锑烯可饱和吸收体插入谐振腔后，与连续激光器相比，腔内损耗增大，导致激光器阈值增大，激光器效率降低，为12.5%，且最大平均输出功率下降为284 mW。

图4 不同工作状态下Nd∶GYAP激光器的平均输出功率Fig.4 Average output power of Nd∶GYAP laser in different operation regimes

图5 (a)脉冲宽度、重复频率与吸收泵功率的关系；(b)峰值功率和脉冲能量与吸收泵功率的关系；(c)Nd∶GYAP激光器在调Q模式下的激光发射光谱；(d)锑烯可饱和吸收体调Q Nd∶GYAP激光器的单脉冲及其所在脉冲序列Fig.5 (a) Pulse width and repetition rate versus absorbed pump power; (b) peak power and pulse energy versus absorbed pump power; (c) laser emission spectra of Nd∶GYAP laser in Q-switched regimes; (d) single pulse and its pulse sequence from the antimonene-SA Q-switched Nd∶GYAP laser

3.2 调Q激光脉冲特性

本文中对该调Q激光器的激光脉冲特性也有详细研究，图5(a)所示为激光脉冲宽度、重复率随泵浦功率变化的关系。从图中可以看出，当吸收泵浦功率从0.823 W增加到3.07 W时，脉冲宽度从1 395 ns单调下降到589 ns，相应的重复频率从61 kHz增加到424 kHz。图5(b)为计算的峰值功率、单脉冲能量随泵浦功率变化的关系，可以看出，在吸收泵浦功率为3.07 W的情况下，最大峰值功率为1.14 W，最大单脉冲能量为669.43 nJ。图5(c)所示为调Q模式下的激光光谱图，其中心发射波长为1 341.2 nm。通过图5(d)中的脉冲序列，可以看出所获得的脉冲激光较为稳定。这也表明所制备的锑烯纳米片具有饱和吸收特性，可以作为1.3 μm激光器的调Q器件。

4 结 论

综上所述，采用预研磨液相剥离法，成功地制备了锑烯纳米片，并将其涂覆在K9玻璃基底上作为可饱和吸收体。首次展示了带有锑烯纳米片可饱和吸收体的1.3 μm被动调Q激光器。在最大吸收泵浦功率为3.07 W，对应于424 kHz的重复频率下，获得了589 ns的最短脉冲宽度，峰值功率为1.14 W。实验结果表明，锑烯纳米片制造简单、价格低廉，且具有在近红外区域作为全固态调Q激光器的饱和吸收体的潜力。