石墨烯-拓?fù)浣^緣體被動(dòng)調(diào)Q640nm紅光Pr-YLF固體激光器.pdf

1、調(diào)Q紅光固體激光器因其特殊波長、大脈沖能量與高峰值功率等特征，在軍事、激光顯示、微加工、醫(yī)學(xué)及激光測(cè)距等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。摻鐠氟化釔鋰晶體(Pr∶YLF)的激光特性優(yōu)良，是產(chǎn)生紅光的理想增益介質(zhì)，然而，目前仍鮮有脈沖Pr∶YLF激光的報(bào)道。以石墨烯和拓?fù)浣^緣體為代表的二維材料是近年崛起的新型寬帶可飽和吸收體，具有非常特殊的物理光學(xué)特性，因此受到了國際上激光工作者的高度關(guān)注。但是目前二維材料主要應(yīng)用于近紅外波段脈沖（調(diào)Q/鎖模）光纖

2、激光器及固體激光器，其在可見光波段的可飽和吸收特性研究仍罕見報(bào)道。結(jié)合紅光Pr∶YLF固體激光器與新型二維材料的優(yōu)勢(shì)，可獲得高性能的紅光脈沖激光，這在科學(xué)研究與工業(yè)應(yīng)用中都將具有深刻意義。目前，仍未有基于二維材料的紅光固體激光器的報(bào)道。這可能是因?yàn)?1）相對(duì)于近紅外波段來說，紅光發(fā)射譜線的上能級(jí)壽命較短，較難形成大量的反轉(zhuǎn)粒子堆積，進(jìn)而影響腔內(nèi)的光子累積;2）Pr∶YLF的吸收譜顯示，其吸收峰主要集中在藍(lán)光波段，因此腔內(nèi)二維材料可飽和吸

3、收體可能會(huì)受到泵浦光干擾，從而影響紅光脈沖的形成;3）固體激光器雖然可以實(shí)現(xiàn)大功率輸出，但是與光纖激光器相比，其光斑半徑比光纖激光器大了上百倍，腔內(nèi)增益卻比光纖激光器小幾倍到十幾倍，這意味著腔內(nèi)光功率密度較低，不容易達(dá)到二維材料的可飽和光強(qiáng)，使得紅光調(diào)Q難以獲得。鑒于以上原因，研究二維材料紅光固體激光器具有現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也富有挑戰(zhàn)性。
　　本文以二維材料紅光固體激光器研究為中心，從理論仿真與實(shí)驗(yàn)研究兩方面開展工作。首先詳細(xì)介紹了石

4、墨烯與拓?fù)浣^緣體兩種材料的物理光學(xué)特性，并理論分析了利用石墨烯實(shí)現(xiàn)紅光Pr∶YLF調(diào)Q脈沖。本文進(jìn)一步采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)石墨烯與液相剝離法(LPE)拓?fù)浣^緣體(Bi2Se3)作為可飽和吸收體，獲得了紅光640 nm Pr∶YLF固體調(diào)Q激光器。同時(shí)針對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的不足之處進(jìn)行合理分析并提出可行的改進(jìn)方案。主要成果如下:
　　1.建立了石墨烯紅光被動(dòng)調(diào)Q固體激光器的速率方程，并分別對(duì)單層、雙層與5層石墨烯作為可飽和吸收體進(jìn)行

5、Matlab數(shù)值模擬，結(jié)果顯示石墨烯層數(shù)越少，其調(diào)制深度越低，調(diào)Q脈沖容易飽和，采用5層石墨烯作為可飽和吸收體，可獲得性能較好的紅光調(diào)Q脈沖。
　　2.實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)CVD石墨烯被動(dòng)調(diào)Q640 nm紅光Pr∶YLF固體激光器，最小脈沖寬度為360 ns，對(duì)應(yīng)的重復(fù)頻率為260 kHz，重復(fù)頻率隨泵浦功率增大而增大，符合典型調(diào)Q脈沖的變化規(guī)律，但相對(duì)于仿真結(jié)果，實(shí)驗(yàn)獲得的調(diào)Q激光脈沖寬度較大，并且脈寬隨泵浦功率的增大先減小后增大，這可能是

6、由于可飽和吸收鏡不均勻，插入損耗過大引起的。針對(duì)這一結(jié)果提出改進(jìn)方案:1）采用多層CVD石墨烯，減少轉(zhuǎn)移次數(shù)，從而提高石墨烯可飽和吸收鏡的質(zhì)量和調(diào)制深度。2）增大腔內(nèi)增益，減小石墨烯可飽和吸收體上的信號(hào)光的光斑大小，從而增大光功率密度。
　　3.實(shí)驗(yàn)獲得拓?fù)浣^緣體(Bi2Se3)被動(dòng)調(diào)Q640 nm紅光Pr∶YLF固體激光器，脈沖重復(fù)頻率從247.5 kHz逐漸增加至354.6 kHz，脈沖寬度先縮短再幾乎呈線性展寬，與石墨烯調(diào)Q

7、實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。由于可飽和吸收鏡的制備是實(shí)現(xiàn)可見光二維材料被動(dòng)調(diào)Q固體激光器的關(guān)鍵，實(shí)驗(yàn)中調(diào)Q激光的性能不夠理想也是由于可飽和吸收鏡的缺陷造成。針對(duì)這一情況，給出四種不同的改進(jìn)方案:1）采用擠壓的轉(zhuǎn)移方法將二維材料溶液轉(zhuǎn)移至襯底基片上，可保持表面均勻平整;2）將可飽和吸收體直接沉積至輸出鏡，以減少腔內(nèi)器件，避免增加額外的插入損耗;3)借鑒微片激光器的理念，可嘗試采用平平腔結(jié)構(gòu)，將輸入輸出鏡直接緊靠在增益晶體構(gòu)建諧振腔。4）采用散熱性能好并