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Optics and Laser Technology 98 (2018) 134–138

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光学和激光技术

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长篇文章

基于氧化石墨烯可饱和吸收体的高效简洁的调Q绿光激光器

Jianhua Chang a,b,uArr;, Hanhan Li b, Zhenbo Yang b, Na Yan b

a Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology, Nanjing University of Information Science amp; Technology, Nanjing, Jiangsu 210044, China

b Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing, Nanjing University of Information Science amp; Technology, Nanjing, Jiangsu 210044, China

文章信息

Article history:

Received 20 April 2017

Received in revised form 21 July 2017 Accepted 26 July 2017

Keywords:

PPLN

氧化石墨烯

调Q

绿光脉冲

摘要

本文采用改进的Hummers法制备了一种新型的氧化石墨烯（GO）。 采用XRD,SEM等方法对氧化石墨烯进行表征。 一种基于Nd:YVO4/PPLN的高效紧凑的调Q绿光激光器被证明为使用几层氧化石墨烯作为可饱和吸收体。我们的实验结果表明，这种几层氧化石墨烯可饱和吸收体可以产生稳定的调Q激光脉冲，中心频率为532.1 nm，3 dB光谱带宽为2.78 nm，重复频率为71.4 kHz，脉冲持续时间长98 ns。在吸收的泵浦功率为5.16W时获得536mW的最大平均输出功率，对应于10.3％的光学转换效率。

2017 Elsevier Ltd. 保留所有权利。

1. 介绍

纳秒时间尺度的调Q绿光激光器广泛应用于许多场合，如信息存储，水下通信，投影显示，医学测试和治疗[1,2]. 通过各种有源或无源调Q技术的二次谐波产生（SHG）可以实现高效的纳秒绿色激光[3,4]. 与涉及使用声光或电光调制器的主动方法相比，无源技术因其具有成本更低，制造和操作复杂性更低的优点而备受关注。对于无源调Q，通常需要可饱和吸收体（SA）来启动和维持脉冲操作。到目前为止，已经广泛研究了各种SA（例如，半导体[5,6]，掺杂有离子如Cr4 ，V3 和Co2 [7-9]的晶体，或基于碳的材料[10-13]）以制造高性能脉冲激光器。遗 憾 的 是 ，传 统 可 饱 和 吸 收 材 料（ 例 如 ，Cr4 ：YAG 和 半 导 体 SA反 射 镜 （ SESAM））的 能 级 结 构 使 它 们 仅 在 窄 波 长 范 围 内 有 效。石墨烯因其零带隙结构而可用作波长不敏感的SA，因此自2004年发现以来，它成为一个热门的研究课题。然而，由于复杂的生产程序，石墨烯仍然很昂贵[14-17]。

uArr; Corresponding author at: Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology, Nanjing University of Information Science amp; Technology, Nanjing, Jiangsu 210044, China.

E-mail address: jianhuachang@nuist.edu.cn (J. Chang).

碳纳米管（CNT）是另一种优异的SA，具有高度的环境稳定性，并且与脉冲的极化无关[18-20]。通过调整纳米管直径及其结构，激光器工作波长可以覆盖很宽的光谱范围。最近，一种基于碳纳米管和线性布拉格光栅的可调谐分布式超快光纤激光器被报道，其中总腔长度是线性的，可随脉冲波长变化[21]。最近的研究结果表明氧化石墨烯（GO）具有与石墨烯类似的有利光学性能，可以使用几种简单的方法生产[22,23]。此外，通过改进传统的改进的Hummers方法（MHM），使制备的GO含有高羟基含量，这有利于在基板上形成膜以制造调Q元件。这种新型GO被认为是用于无源调Q操作的有前途的SA。对于绿色激光器制造，使用非线性晶体（例如KTP，LBO和PPLN）的激光二极管（LD）泵浦调Q激光器的倍频是将波长扩展到绿色范围的便利方法。PPLN晶体因其在任意波长下的准相位匹配，大非线性系数和宽透明窗口等优点而广泛用于高效频率转换[24,25]。具体来说，对于SHG，腔外倍频具有结构简单，偏振性能好，稳定性高的优点。然而，整个激光系统的体积和成本因单独的基本激光和更长的非线性晶体所需而增加[26]。相反，腔内倍频是在保持系统紧凑性的同时实现高光学转换效率的更好解决方案。

http://dx.doi.org/10.1016/j.optlastec.2017.07.040 0030-3992/。 2017 Elsevier Ltd. All rights reserved.

在这项研究中，通过使用新型GO作为SA，证明了紧凑且高效的LD端泵浦腔内倍频Nd：YVO4 / PPLN绿色脉冲激光器。激光器基于一个简单的平面谐振器，由Nd：YVO4和PPLN晶体上的两个高反射涂层形成，没有任何额外的光学反射镜。在71.4kHz的重复下产生536mW的531.2nm脉冲绿色激光，脉冲持续时间为98ns。

1. 氧化石墨烯可饱和吸收体的制备和激光装置

新型氧化石墨烯是根据改进的Hummers法制备的[27]。因此，将1mg 氧化石墨烯加入100mL无水乙醇中以产生悬浮液。使用超声设备将悬浮液分散3小时。随后，将分散的悬浮液（0.4mL）旋涂在方形石英基板（2.5cmtimes;2.5cm）上。将涂有GO的石英在加热平台上在80℃下在洁净室中干燥5分钟。最后，测量拉曼位移光谱，X射线衍射（XRD）分析和扫描电子显微镜（SEM）图像以表征制备的氧化石墨烯可饱和吸收体。图1（a）显示了氧化石墨烯可饱和吸收体的拉曼光谱。在光谱中观察到的两个主峰（即D和G峰）是氧化石墨烯的典型峰。D峰位于~1350 cm^-1，而G峰位于~1590 cm^-1，FWHM带宽分别为~90 cm^-1和~60 cm^-1。宽的2D波段位于~2750 cm^-1，表明氧化石墨烯膜由~10层组成[28]。通过XRD分析研究GO结构，在2h = 10:30处具有强烈的特征衍射峰（图1（b））。根据布拉格方程，GO的层间距离计算为0.85nm。位于2h = 26:60的石墨峰在氧化后消失。该结果表明石墨已经被氧化形成氧化石墨烯 [29]。 氧化石墨烯也通过SEM测试。图1（c）显示了大面积的纱布结构，表明GO板具有光滑的表面和相对大的直径。

图2给出了基于氧化石墨烯可饱和吸收体的调Q绿色激光器的示意图。作为增益材料，沿着其尺寸为3times;3times;5mm ³的a方向切割Nd 3 浓度为0.5at。％的Nd：YVO 4晶体。Nd：YVO4晶体由中心波长为808nm的光纤耦合LD泵浦。纤维尾纤的芯直径为400mm，数值孔径为0.22。使用1：1耦合系统将LD的输出激光束聚焦到具有200mm光束半径的激光晶体中。Nd：YVO4晶体用铟箔包裹并紧密安装在水冷铜块中，以减少泵送时的热效应。实验的循环水温度设定在25℃。PPLN晶体的尺寸为2.2times;0.5times;1.3mm ³（宽times;高times;长），光栅周期为7mm。PPLN晶体温度由高精度热电子冷却器控制，精度为plusmn;0.1°C。Nd：YVO4晶体（M1）的左侧充当输入镜，并且在泵浦波长（808nm）处涂覆抗反射（AR）并且在基波波长下涂覆高反射（HR） （1064nm）。Nd：YVO4晶体的另一面在1064nm处进行AR涂覆。同时，PPLN晶体（M2）的右表面用作输出镜，并且分别在1064nm和532nm处进行HR-和AR-涂覆。PPLN晶体（M3）的左表面分别在1064nm和532nm处进行AR-和HR-涂覆，允许在一个方向上提取绿色光焦度。

50000 1200

(a)

GO

D

G

2D

(b)

40000

1000

30000

Intensity / a.u.

20000

10000

0

800

Intensity /a.u.

600

400

200

0

500 1000 1500 2000 2500 3000 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Raman shift / cm-1 2  

(c)

图1. 氧化石墨烯可饱和吸收体的表征。 （a）拉曼光谱; （b）XRD; （c）SEM图像。

图2. Q开关绿色激光器的原理图配置。

基于ABCD矩阵方法计算Nd：YVO4晶体中心的激光模半径约为210mm，这确保了与LD泵浦激光器的良好模式匹配。

1. 实验结果和讨论

首先研究了532nm连续波（CW）激光器的输出特性。作为吸收的泵浦功率的函数的CW输出功率由图3（a）中的实心方形标记表示。激光泵的阈值功率约为1.42 W. 在吸收的泵浦功率为5.16 W时，最大输出功率达到778 mW，相当于斜率效率为20.8％，光学转换效率为15.08％。然后在PPLN晶体之前将氧化石墨烯可饱和吸收体插入激光腔中。当吸收的泵浦功率增加到1.71 W时，获得了稳定的调Q方案。图3（a）表示平均输出功率对吸收的泵浦功率的依赖性。如图所示，在5.16W的吸收泵浦功率下实现了536mW的最大平均输出功率，从而提供了15.4％的斜率效率和10.3％的光学转换效率。与具有类似腔结构的石墨烯调Q绿色激光器[30

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