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石墨烯Q开关固态激光器具有高重复率的大能量激光脉冲

浏览数量:28     作者:本站编辑     发布时间: 2018-07-20      来源:本站

抽象: 我们证明了石墨烯可以用作Q开关固态激光器的有效可饱和吸收体。石墨烯可饱和吸收镜是用大而高质量的石墨烯片制成的液相去角质。使用该镜子,从被动Q开关Nd:GdVO4激光器获得105ns脉冲和2.3W平均输出功率。最大脉冲能量为3.2μJ。坡度效率高达37%接近40%的连续波激光,表明石墨烯的固有损耗低。

  一,简介

Q开关,也称为巨脉冲形成,允许产生具有极高峰值功率的光脉冲,远高于相同激光器(如果它以连续波模式操作)产生的光脉冲。这种技术发现其需要高脉冲能量的工业和科学应用,如医学,地球化学和材料加工。以前,具有半导体可饱和吸收镜(SESAM)的被动Q开关激光器作为Q-开关元件被积极报道[1-4]。然而,这些SESAM需要复杂的制造和包装,这限制了它们的广泛使用[5]。因此,寻找具有低成本,广泛的新型可饱和吸收材料至关重要吸收带,低内在损失。

  最近的进展表明,石墨烯可用作脉冲激光中的调制元件。与超快光子学中的传统半导体可饱和吸收体相比,石墨烯具有明显的优势,例如超快载流子动力学[6,7],光学吸收大,调制深度[8,9]。三层石墨烯片的调制深度高达66.5%,随着层数的增加几乎呈线性下降[8]。调制深度大有利于短脉冲[10]。并且可控调制深度允许人们调整脉冲持续时间。以前的工作证明,石墨烯是锁模光纤激光器和固态激光器中的优秀可饱和吸收体[8,11-15]。最近,还报道了石墨烯Q转换。 Yu等人从碳化硅上生长的石墨烯Q开关的Nd:YAG激光器获得了159.2-nJ单脉冲能量和161-ns脉冲持续时间[16]。 Popa等人。展示了石墨烯Q开关光纤激光器的性能,单脉冲能量为40 nJ,1.5μm[17]。在这里,我们报告基于石墨烯的可饱和吸收镜(SAM)在二极管泵浦被动Q-中的应用切换Nd:GdVO4激光。通过稳定的Q开关操作获得3.2-μJ脉冲能量和105-ns脉冲持续时间。

  2.石墨烯的制备和表征

  为了获得尺寸为几十微米的石墨烯片,我们在去角质之前用氧化剂预处理蠕虫状剥离石墨(WEG)。膨胀石墨在浓硫酸混合物中预氧化,过氧二硫酸钾,氧化磷(P 2 O 5)在90°C搅拌下。在4小时完成后,将混合物倒入含有过量去离子水的大烧杯中,然后过滤并洗涤至pH值为滤液接近中性。将得到的石墨在80℃下干燥24小时。将干燥的石墨在密封的玻璃小瓶中在1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中超声处理2小时。留下所得分散体在3天内沉淀出任何不溶性颗粒。收集上清液用于表征。扫描电子显微镜(SEM)和高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)用于表征产品。在图1(a)和1(b)中可以清楚地看到横向尺寸超过20μm的石墨烯片。图1(c)中的选定区域电子衍射(SEAD)图案显示了预期的典型六重对称性石墨/石墨烯。图案的强度还表明该区域是单层石墨烯,因为I {1100} / I {2110}的强度比率为1。 1是单层石墨烯的独特特征[18]。边缘图像图1(d)中的石墨烯表示石墨烯间距为0.34nm。

大能量激光器(1)

图1.(a)石墨烯片的SEM图像。 (b)石墨烯片的HRTEM图像。

(c)SEAD图案显示石墨烯的六重旋转对称性(d)HRTEM图像

观察到条纹的边缘和层间距为0.34nm。

  3。结果与讨论

  将石墨烯片直接旋涂到涂覆有SiO 2 / TiO 2介电层的平面BK7玻璃反射器上,其具有~95%的反射率,具有如图2(a)中的宽带。石墨烯SAM的传输是在不同地点测量。最大值和最小值的曲线分别在图2(a)中给出。石墨烯SAM的传输可以描述为

Ť=Ť (1-一个ñ

  哪里ŤØ, 一个,n是基板的初始透射率,单层石墨烯的吸收率和涂覆的石墨烯层的数量。在1063,测量的透射率在~95.2%和96.1%之间纳米。因此可以得出结论,涂覆的石墨烯的层的范围为2至10。

  Q开关激光器的示意性布置如图2(b)所示。使用17mm长的双镜谐振器来评估石墨烯SAM的性能。增益介质是具有Nd3 +的3×3×5mm 3 a切Nd:GdVO4掺杂水平为0.5 at。%。为了去除储存的热量,我们用铟箔包裹晶体并将其安装在铜散热器中,通过水冷却将温度保持在21℃。晶体由光纤耦合激光器端部泵浦二极管阵列在808nm发射,直径为400μm,数值孔径为0.22。输入耦合器是凹面镜,曲率半径为200mm。它在808nm下进行抗反射涂层,在1063下进行高反射涂层纳米。

大能量激光器(2)

图2.(a)BK7基板和石墨烯SAM的透射率光谱。 (b)Q开关激光器的实验装置。

(c)连续波和Q开关(Q-S)操作的平均输出功率与入射泵功率的关系。

 (d)Q开关操作的脉冲宽度和重复率与入射泵功率的关系。

  最初,我们研究了连续波(CW)Nd:GdVO4激光器与BK7反射器(与石墨烯SAM的基板相同)作为输出耦合器的性能。激光器操作是在阈值泵浦功率下实现的0.18 W.输出功率在图2(c)中绘制为入射泵功率(Pin)的函数。在6.5 W的入射泵浦功率下获得2.5W输出功率,导致光学效率为38%和斜率效率为40%。在实验期间没有观察到自我Q转换。激光发射以1063nm为中心,半峰全宽(FWHM)为~0.8nm。这些结果揭示了我们的Nd:GdVO4的良好激光特性。

  当石墨烯SAM代替BK7反射器时,如图2(b)所示,一旦入射泵功率超过0.22W的阈值,就实现了脉冲激光振荡。平均输出功率和入射泵浦功率之间的关系如图2(c)所示。可以看出平均值输出功率随入射泵功率线性增加。即使入射泵功率增加到6.5W,也没有观察到泵饱和。在这种入射泵功率下,获得了2.3W的平均输出功率,略有比连续波条件下的要低8%。相应的光学 - 光学和斜率效率分别为35%和37%。这种良好的性能意味着石墨烯的固有损失在a非常低的水平。通过数字示波器记录取决于入射泵浦功率的脉冲宽度(τ)和重复率(f),并在图2(d)中示出。该图显示从1435 ns快速下降到105 ns的最小数据脉冲宽度随泵浦功率从阈值增加到6.5W,同时观察到重复率从305增加到704kHz。高重复率可能是由于石墨烯的超快弛豫时间(0.4~1.7)ps [7])和Nd:GdVO4的相对大的受激发射截面。 [19]。根据平均输出功率和脉冲重复率,在入射泵浦功率下实现了3.2μJ的最大单脉冲能量但是,应该指出图2(d)中低于2.9 W的入射泵功率下的脉冲宽度和重复率是近似平均值,因为在该泵区域中Q开关操作是远离稳定(泵功率为0.9 W的脉冲序列如图3(a)所示)。考虑到石墨烯在低腔内功率下不能完全饱和,这是合理的。的波动测量值在平均值的约20%范围内。在高于2.9 W的事故泵功率水平下,Q开关操作转为稳定状态(如图3(b)所示,泵功率为3.2 W),对应于腔内强度约为0.926 MWcm-2 在石墨烯片上,其接近饱和强度0.87MWcm-2 参考文献报道。 [8,12]。时间脉冲序列和单脉冲轮廓,重复率为704 kHz和在2.3W的输出功率下获得105ns的脉冲持续时间,如图3(c)和图3(d)所示。通过实验发现光束质量接近衍射极限。用商业光束质量分析仪,径向和切向M2测得为1.16和最大输出功率为2.3 W时的1.18 .Q开关激光器的发射波长仍然以1063 nm为中心,但FHWM为1.0 nm,略大于先前连续波激光器的0.8 nm。这可以归因于两个原因。一个是大的累积反转种群自发地转变为激发水平的较低子水平。当石墨烯饱和时,从较低的子层向地面层过渡会发射长波长的光子。另一种是石墨烯的极大正常分散[8]。

大能量激光器(3)

图3.在0.9 W(a)的入射泵功率下的Q开关脉冲序列,

在事故泵浦功率为3.2 W(b),并且在泵浦功率为6.5 W(c)的情况下。

(d)在6.5 W的入射泵功率下的105 ns Q开关脉冲分布

对于使用石墨烯SAM的Q开关激光,与石墨烯层的数量相关的调制深度在脉冲持续时间中起重要作用。高调制深度可缩短脉冲持续时间。另外,产量低透射率通常有利于储能和低激光阈值。但是,从降低腔内通量以避免光学损伤的观点来看,高输出透射率对于高功率激光是有利的抵抗多个脉冲。因此,用于产生高能量Q开关脉冲的石墨烯SAM的未来设计应该集中在石墨烯层数和SAM透射率的优化上。

4。结论

  在本文中,已经证明了石墨烯SAM在Q开关固态激光器上的有效性能。获得2.3W的平均输出功率和3.2μJ的脉冲能量。我们的结果表明石墨烯可以应用于以数十至数百kHz范围内的重复率产生高能量稳定脉冲。

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