光纖激光器與其他激光器相比，具有效率高、穩(wěn)定性好、體積小和光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于材料加工、光纖通信、大氣光學(xué)、激光醫(yī)療、軍事等多個(gè)領(lǐng)域。尤其是脈沖激光器已經(jīng)成為激光制造和激光通信的關(guān)鍵設(shè)備。光纖激光器可以采用鎖模和調(diào)Q兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖輸出。調(diào)Q與鎖模相比，具有更高的單脈沖能量，較寬的脈沖寬度和更寬的轉(zhuǎn)換效率。光纖激光器的調(diào)Q方式主要有主動(dòng)、被動(dòng)兩種。主動(dòng)調(diào)Q 需要外加聲光、電光轉(zhuǎn)換裝置來(lái)改變諧振腔Q 值，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。被動(dòng)調(diào)Q 是利用飽和吸收材料( 如摻雜過(guò)渡金屬材料或者半導(dǎo)體材料)或者光纖中的布里淵散射效應(yīng)來(lái)改變諧振腔內(nèi)的Q值來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。

　　Cr∶YAG與半導(dǎo)體飽和吸收鏡是備受青睞的飽和吸收體，但是Cr∶YAG 吸收帶寬( 0．8 ～1．2 μm) 有限，且與光纖耦合性很差，不能完全滿足光纖激光器的要求。半導(dǎo)體飽和吸收鏡制作封裝工藝復(fù)雜，工作波段也很窄。碳納米管作為飽和吸收體具有可飽和吸收強(qiáng)度大、響應(yīng)時(shí)間快、成本低價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，但是其工作波長(zhǎng)與納米管直徑和手性有關(guān)。可以采用多種不同直徑的碳納米管以實(shí)現(xiàn)寬帶吸收，但是這又會(huì)引入額外的損耗，增加調(diào)Q的難度。與半導(dǎo)體飽和吸收鏡、Cr ∶ YAG、碳納米管相比，石墨烯與氧化石墨烯具有完美的光學(xué)特性，如吸收強(qiáng)度大、工作波段更寬( 可見(jiàn)光到中紅外) 、響應(yīng)時(shí)間超快( 100 fs) 、損傷閾值高，而且制作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、與光纖耦合性好，是被動(dòng)調(diào)Q 光纖激光器的理想材料。

　　2 石墨烯飽和吸收體

　　2.1 石墨烯飽和吸收特性

　　石墨烯具有特殊的光學(xué)與電學(xué)特性，和其他大多數(shù)二維納米材料不同，它有一個(gè)零帶隙能帶結(jié)構(gòu)。理想的石墨烯能帶是完全對(duì)稱的錐型導(dǎo)帶和價(jià)帶對(duì)稱的分布在費(fèi)米能級(jí)上下，導(dǎo)帶與價(jià)帶交叉點(diǎn)為狄拉克點(diǎn)。這種特殊結(jié)構(gòu)決定了石墨烯對(duì)光的響應(yīng)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，其工作光譜范圍更寬。石墨烯具有非常良好的非線性光學(xué)吸收特性。當(dāng)入射光比較弱時(shí)，處在價(jià)帶的電子會(huì)吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶，石墨烯的吸收系數(shù)較大。而入射光足夠強(qiáng)時(shí)，導(dǎo)帶將被新產(chǎn)生的電子填滿，阻礙了石墨烯吸收更多光子，因此吸收系數(shù)減少。單層石墨烯的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　2.2 石墨烯飽和吸收體的制作

　　石墨烯具有良好的飽和吸收特性，需要采用不同方法來(lái)制備調(diào)Q 開(kāi)關(guān)。在光纖激光器方面，目前有四種有效的方法。石墨烯飽和吸收體的制備方法如圖2 所示。

　　2.2.1 “三明治”結(jié)構(gòu)

　　“三明治”結(jié)構(gòu)被動(dòng)調(diào)Q 飽和吸收體是目前 簡(jiǎn)單 有效使用 多的結(jié)構(gòu)。把石墨烯置于兩個(gè)光纖端面之間，構(gòu)成“三明治”結(jié)構(gòu)。制作方法有： ①可以將化學(xué)氣相沉積法( CVD) 制備的石墨烯薄片；或者利用石墨烯和大分子材料混合而成的復(fù)合材料薄膜直接夾在光纖連接器之間構(gòu)成“三明治”結(jié)構(gòu)。②也可以利用激光誘導(dǎo)沉積的方法，直接將石墨烯分散液中的石墨烯通過(guò)電泳效應(yīng)沉積在光纖端面上。③通過(guò)“噴霧”法，把制備的石墨烯溶液噴灑在光纖端面上，烘干。④甚至也可以將CVD 制備的石墨烯，直接轉(zhuǎn)移單光纖端面上。

　　采用此種辦法制備的石墨烯調(diào)Q 開(kāi)關(guān)屬于透射式結(jié)構(gòu)，光纖耦合損耗較小，基本可以實(shí)現(xiàn)全光纖結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)是損傷閾值較低，輸出功率不高。

　　2.2.2 內(nèi)部鑲嵌結(jié)構(gòu)

　　將石墨烯分散液注入到一根中空或者光子晶體光纖中，烘干即可。這種方法制備的飽和吸收體損傷閾值較高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，引入的損耗較少，可以實(shí)現(xiàn)光纖激光器的全光纖結(jié)構(gòu)。

　　2.2.3 光倏逝波耦合結(jié)構(gòu)

　　利用光倏逝波與石墨烯的相互作用也可以制作飽和吸收體，由于僅部分光與石墨烯相互作用，因而損傷閾值更高。其主要結(jié)構(gòu)有D 型光纖和錐型光纖。

　　2.2.4 腔鏡反射式結(jié)構(gòu)

　　可以將石墨烯直接沉積或者轉(zhuǎn)移到寬度反射鏡上，構(gòu)成反射式飽和吸收體。將此飽和吸收反射鏡作為一個(gè)諧振腔的腔鏡，來(lái)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)調(diào)Q。這種方法制作比較簡(jiǎn)單，但不是全光纖結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，耦合效率比較低。大部分應(yīng)用于線型腔光纖激光器。

　　3 石墨烯調(diào)Q 光纖激光器研究進(jìn)展

　　光纖激光器是用摻稀土元素的光纖作為增益介質(zhì)的激光器，常見(jiàn)的摻雜離子主要有Er3 +、Yb3 +、Tm3 +、Ho3 + 以及Nd3 + 等。

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