石墨烯-拓撲絕緣體被動調Q640nm紅光Pr-YLF固體激光器.pdf

1、調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)學及激光測距等領域具有廣泛的應用前景。摻鐠氟化釔鋰晶體(Pr∶YLF)的激光特性優(yōu)良，是產生紅光的理想增益介質，然而，目前仍鮮有脈沖Pr∶YLF激光的報道。以石墨烯和拓撲絕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特性，因此受到了國際上激光工作者的高度關注。但是目前二維材料主要應用于近紅外波段脈沖（調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道。結合紅光Pr∶YLF固體激光器與新型二維材料的優(yōu)勢，可獲得高性能的紅光脈沖激光，這在科學研究與工業(yè)應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道。這可能是因為:1）相對于近紅外波段來說，紅光發(fā)射譜線的上能級壽命較短，較難形成大量的反轉粒子堆積，進而影響腔內的光子累積;2）Pr∶YLF的吸收譜顯示，其吸收峰主要集中在藍光波段，因此腔內二維材料可飽和吸

3、收體可能會受到泵浦光干擾，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，腔內增益卻比光纖激光器小幾倍到十幾倍，這意味著腔內光功率密度較低，不容易達到二維材料的可飽和光強，使得紅光調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)實意義，同時也富有挑戰(zhàn)性。
　　本文以二維材料紅光固體激光器研究為中心，從理論仿真與實驗研究兩方面開展工作。首先詳細介紹了石

4、墨烯與拓撲絕緣體兩種材料的物理光學特性，并理論分析了利用石墨烯實現(xiàn)紅光Pr∶YLF調Q脈沖。本文進一步采用化學氣相沉積法(CVD)石墨烯與液相剝離法(LPE)拓撲絕緣體(Bi2Se3)作為可飽和吸收體，獲得了紅光640 nm Pr∶YLF固體調Q激光器。同時針對實驗內容的不足之處進行合理分析并提出可行的改進方案。主要成果如下:
　　1.建立了石墨烯紅光被動調Q固體激光器的速率方程，并分別對單層、雙層與5層石墨烯作為可飽和吸收體進行

5、Matlab數(shù)值模擬，結果顯示石墨烯層數(shù)越少，其調制深度越低，調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Q脈沖。
　　2.實驗實現(xiàn)CVD石墨烯被動調Q640 nm紅光Pr∶YLF固體激光器，最小脈沖寬度為360 ns，對應的重復頻率為260 kHz，重復頻率隨泵浦功率增大而增大，符合典型調Q脈沖的變化規(guī)律，但相對于仿真結果，實驗獲得的調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。針對這一結果提出改進方案:1）采用多層CVD石墨烯，減少轉移次數(shù)，從而提高石墨烯可飽和吸收鏡的質量和調制深度。2）增大腔內增益，減小石墨烯可飽和吸收體上的信號光的光斑大小，從而增大光功率密度。
　　3.實驗獲得拓撲絕緣體(Bi2Se3)被動調Q640 nm紅光Pr∶YLF固體激光器，脈沖重復頻率從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Q

7、實驗結果相似。由于可飽和吸收鏡的制備是實現(xiàn)可見光二維材料被動調Q固體激光器的關鍵，實驗中調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。針對這一情況，給出四種不同的改進方案:1）采用擠壓的轉移方法將二維材料溶液轉移至襯底基片上，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構，將輸入輸出鏡直接緊靠在增益晶體構建諧振腔。4）采用散熱性能好并