1 引言

光纖激光器與其他激光器相比，具有效率高、穩(wěn)定性好、體積小和光束質量好等優(yōu)點，廣泛應用于材料加工、光纖通信、大氣光學、激光醫(yī)療、軍事等多個領域。尤其是脈沖激光器已經成為激光制造和激光通信的關鍵設備。光纖激光器可以采用鎖模和調Q兩種方法來實現脈沖輸出。調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換效率。光纖激光器的調Q方式主要有主動、被動兩種。主動調Q 需要外加聲光、電光轉換裝置來改變諧振腔Q 值，結構復雜。被動調Q 是利用飽和吸收材料( 如摻雜過渡金屬材料或者半導體材料)或者光纖中的布里淵散射效應來改變諧振腔內的Q值來實現的，其特點是結構簡單緊湊。

Cr∶YAG與半導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。半導體飽和吸收鏡制作封裝工藝復雜，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度大、響應時間快、成本低價格便宜的優(yōu)點，但是其工作波長與納米管直徑和手性有關?？梢圆捎枚喾N不同直徑的碳納米管以實現寬帶吸收，但是這又會引入額外的損耗，增加調Q的難度。與半導體飽和吸收鏡、Cr ∶ YAG、碳納米管相比，石墨烯與氧化石墨烯具有完美的光學特性，如吸收強度大、工作波段更寬( 可見光到中紅外) 、響應時間超快( 100 fs) 、損傷閾值高，而且制作簡單、價格低廉、與光纖耦合性好，是被動調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與電學特性，和其他大多數二維納米材料不同，它有一個零帶隙能帶結構。理想的石墨烯能帶是完全對稱的錐型導帶和價帶對稱的分布在費米能級上下，導帶與價帶交叉點為狄拉克點。這種特殊結構決定了石墨烯對光的響應與波長無關，其工作光譜范圍更寬。石墨烯具有非常良好的非線性光學吸收特性。當入射光比較弱時，處在價帶的電子會吸收光子能量躍遷到導帶，石墨烯的吸收系數較大。而入射光足夠強時，導帶將被新產生的電子填滿，阻礙了石墨烯吸收更多光子，因此吸收系數減少。單層石墨烯的能級結構如圖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制備調Q 開關。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”結構

“三明治”結構被動調Q 飽和吸收體是目前最簡單最有效使用最多的結構。把石墨烯置于兩個光纖端面之間，構成“三明治”結構。制作方法有： ①可以將化學氣相沉積法( 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合材料薄膜直接夾在光纖連接器之間構成“三明治”結構。②也可以利用激光誘導沉積的方法，直接將石墨烯分散液中的石墨烯通過電泳效應沉積在光纖端面上。③通過“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，直接轉移單光纖端面上。

采用此種辦法制備的石墨烯調Q 開關屬于透射式結構，光纖耦合損耗較小，基本可以實現全光纖結構。缺點是損傷閾值較低，輸出功率不高。

2.2.2 內部鑲嵌結構

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，結構簡單緊湊，引入的損耗較少，可以實現光纖激光器的全光纖結構。

2.2.3 光倏逝波耦合結構

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。其主要結構有D 型光纖和錐型光纖。

2.2.4 腔鏡反射式結構

可以將石墨烯直接沉積或者轉移到寬度反射鏡上，構成反射式飽和吸收體。將此飽和吸收反射鏡作為一個諧振腔的腔鏡，來實現被動調Q。這種方法制作比較簡單，但不是全光纖結構，結構比較復雜，耦合效率比較低。大部分應用于線型腔光纖激光器。

3 石墨烯調Q 光纖激光器研究進展

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

3.1 摻Er3 +光纖激光器

摻Er3 + 光纖在波長1.5 ～ 3 μm 附近具有很高的增益，且對應光纖低損耗第三通信窗口。石墨烯被動調Q Er3 + 光纖激光器是研究最廣泛、最多的光纖激光器，發(fā)展十分迅速。

3.1.1 單波長輸出摻Er3 + 光纖激光器

2013 年王曉龍等采用光誘導沉積法將石墨烯吸附于光纖的端面上，并與光纖連接器制備了“三明治”結構的飽和吸收體，實現了1564 nm 脈沖激光輸出，輸出功率2.08 mW，重復頻率28 kHz，脈沖寬度3 μs。2013 年Chen Wei 類似結構的石墨烯飽和吸收體獲得了2.78 μm 被動調Q 摻Er3 + 氟化物光纖激光器，輸出功率62 mW，重復頻率37 kHz，脈沖寬度2.9 μs。2014 年R.Z.R.R.Rosdin等采用聚乙烯醇( PVA) 石墨烯薄片直接夾在光纖連接器之間，構成“三明治”結構飽和吸收體，獲得1560 nm 脈沖激光，重復頻率27.0 kHz，脈沖寬度3.56 μs。

3.1.2 可調諧摻Er3 + 光纖激光器

2011 年劍橋大學D.Popa 等，采用石墨烯PVA飽和吸收體，獲得了摻Er3 + 光纖激光器，并采用可調諧帶通濾器，實現了1522 ～ 1555 nm 輸出。輸出功率3.4 mW，重復頻率103 kHz，脈沖寬度2 μs。2012 年W J Cao 等采用光誘導熱泳效應，使石墨烯附著在光纖端面上，實現了脈沖激光輸出。通過可調諧濾光器可以實現1519. 3 ～ 1569.9 nm 寬帶調諧。波長為1556 nm 時，輸出功率1.192 mW，重復頻率9.7 kHz。2013 年H.Ahmad 采用類似的石墨烯飽和吸收體獲得了調諧范圍為1512. 5 ～ 1570.5 nm 脈沖激光，輸出功率1.4 mW，重復頻率55.3 kHz，脈沖寬度1.6 μs。

2014 年李和平等采用CVD 制備的單層石墨烯，四次轉移到光纖端面，形成了4 單層石墨烯飽和吸收體，并采用簡單線性諧振腔，獲得了緊湊型的光纖激光器。重復頻率68.7 kHz，脈沖寬度1.7 μs，單脈沖能量25.4 nJ。通過應變可調諧光纖布拉格( Bragg) 光柵，可以實現1560.43 ～ 1566.27 nm連續(xù)調諧。同年Mengmeng Han 等采用“三明治”結構石墨烯飽和吸收體，獲得了高能量脈沖激光器。波長為1559.2 nm 時，輸出功率1.82 mW，重復頻率49.29 kHz，脈沖寬度1.70 μs。通過帶有可調光延時線的馬赫- 澤徳爾( Mach - Zehnder) 干涉儀，可以實現1523.03 ～1558.65 nm 寬帶調諧。

3.1.3 雙波長、多波長輸出摻Er3 + 光纖激光器

早在2010 年Zhengqian Luo 等采用光學沉積法制備了石墨烯飽和吸收體，并采用雙反射峰的光纖Bragg 光柵，同時實現了1566.17、1566.35 nm 雙波長脈沖激光輸出。輸出功率1.1 mW，重復頻率65.9 kHz，脈沖寬度3.7 μs，通過改變光柵的軸向應變，可以實現1566 ～ 1570 nm 窄帶調諧。2012 年H.Ahmad 采用類似的飽和吸收體，通過受激布里淵( Brillouin) 散射，實現11 個波長( 光譜范圍1550.1 ～1551.0 nm) 脈沖激光輸出。重復頻率152.40 kHz，脈沖寬度1.67 μs。同年Zhao Junqing 等將PVA 石墨烯薄片夾在光纖連接器之間，構成飽和吸收體，并采用5 個反射峰的光纖Bragg 光柵，獲得了5 波長( 1548.012、1548.868、1549.948、1551.008、1551.992 nm)脈沖激光輸出。輸出功率17.3 mW，重復頻率132.9 kHz，脈沖寬度1.5 μs。2014 年H.Ahmad 等將氧化石墨烯沉積在光纖端面上，構成飽和吸收體，獲得了1551.845、1551.873 nm 雙波長光子晶體光纖激光器。輸出功率0.086 mW，重復頻率31.0 kHz，脈沖寬度7.0 μs。

3.2 摻Tm3 + 光纖激光器

摻Tm3 + 光纖激光器的輸出波長為2 μm，屬于人眼安全激光，可以用于激光醫(yī)療、高分辨光譜學、激光雷達和材料處理等領域。

2013 年李雕等采用CVD 制備的石墨烯薄膜，轉移到鍍有2 μm 高反射膜的平面上，構成了石墨烯飽和吸收鏡。以摻銩的光纖為增益介質，采用簡單的線性諧振腔，獲得了1958 nm 被動調Q 脈沖激光輸出，平均功率26 mW，重復頻率116 kHz，脈沖寬度1.02 μs。同年M Jiang 等采用同樣的飽和吸收體獲得1957 nm 被動調Q 摻銩光纖激光器，輸出功率96 mW，重復頻率202 kHz，最窄脈沖寬度760 ns，如圖3 所示。

2013 年Chun Liu 等利用光學沉積方法將氧化石墨烯吸附在熔錐光線的側面，制備了氧化石墨烯飽和吸收體。利用光倏逝波與石墨烯的相互作用來實現調Q，這保證了石墨烯能夠更加安全耐用，損傷閾值更高。采用雙包層摻銩單模光纖作為增益介質，采用線性諧振腔，獲得2032 nm 脈沖激光輸出，平均功率302 mW，重復頻率45 kHz，脈沖寬度3.8 μs，單脈沖能量達到6.71 μJ，其激光器示意圖如圖4 所示。

2013 年，H.Ahmad 利用光學沉積法，直接將氧化石墨烯沉積在光纖端面上，做成“三明治”結構飽和吸收體，獲得了1941.7 nm 脈沖光纖激光器，輸出功率0.3 mW，重復頻率16.0 kHz，脈沖寬度9.8 μs。2014 年Norazlina Saidin 等石墨烯PVA 薄片放置兩個光纖端面之間構成“三明治”結構飽和吸收體實現了1900 nm 脈沖光纖激光器，輸出功率僅為1 mW，重復頻率13.1 kHz，最窄脈沖寬度16.9 μs。同年Yizhong Huang 等采用CVD 生長的單層石墨烯轉移到光纖端面上，構成全光纖“三明治”結構，實現了1980 nm 脈沖雙包層光纖激光器，平均功率28.6 mW，重復頻率27 kHz，脈沖寬度2.7 μs。

3.3 摻Yb3 + 光纖激光器

脈沖摻Yb3 + 光纖激光器是波長為1.0 ～1.2 μm 的通用激光光源，Yb3 + 具有相當寬的吸收帶( 800 ～ 1064 nm) 泵浦源的選擇廣泛。2011 年劉江等報道了石墨烯被動調Q 摻鐿1064 nm 雙包層光纖激光器。他將寬帶全反鏡浸入到石墨烯PVA 溶液中充分接觸，并干燥，制備了反射式飽和吸收體。此反射鏡與光纖Bragg 光柵構成了線性諧振腔。最大輸出功率為12 mW，最窄脈沖寬度70 ns，重復頻率為257 kHz。2012 年L. Zhang 等采用激光誘導沉積的方法制備了“三明治”結構飽和吸收體，獲得了保偏1027.3 nm 全光纖激光器。平均功率為15.6 mW，重復頻率110 kHz，脈沖寬度1.3 μs。

2013 年Zhehua Yu 等報道了W 級氧化石墨烯被動調Q 雙包層1044 nm 光纖激光器。飽和吸收體采用的是“三明治”結構： 首先將石英薄片浸入到氧化石墨烯溶液中，蒸發(fā); 氧化石墨烯就會沉積在薄片兩側; 擦掉一側的氧化石墨烯，并鍍上高反膜，即形成反射式飽和吸收鏡; 然后在氧化石墨烯的上面附上石英薄片即構成“三明治”結構，如圖5 所示。此結構可以有效地減少空氣中氧氣對氧化石墨烯的影響，極大地提高損傷閾值。當泵浦功率為7.8 W 時，可以獲得平均輸出功率1.8 W，重復頻率215 kHz，脈沖寬度為1.7 μs 的脈沖激光。

2014 年吳健等將CVD 法生長的單層石墨烯轉移到光纖端面上，構成全光纖“三明治”結構，獲得大脈沖能量雙包層光纖激光器，平均功率為46 mW，重復頻率26.46 kHz，脈沖寬度4.5 μs。張麗強直接采用SiC 外延生長的石墨烯作為調Q 開關，獲得可調諧被動調Q 雙波長光纖激光器。輸出功率35 mW，重復頻率53.04 kHz，脈沖寬度1.60 μs。采用石英濾光片可以實現1038.54 ～ 1056.22 nm 連續(xù)調諧。

3.4 Er∶Yb 共摻雜光纖激光器

2013 年Y.K.Yap 等采用光學沉積和光鑷效應，將石墨烯沉積在光纖端面上，制作了“三明治”結構的石墨烯飽和吸收體。采用Er∶Yb 共摻雜光纖作為增益介質，首次采用簡單的線性諧振腔，獲得了1535 nm 被動調Q 光纖激光器。輸出功率25 mW，重復頻率70 kHz，最大單脈沖能量184 nJ。

2014 年吳端端將CVD 制作的單層石墨烯轉移到光纖端面上，制作了“三明治”結構的飽和吸收體，實現了Er∶Yb 共摻雜雙包層被動調Q 全光纖激光器。單脈沖能量高達1.05 μJ，輸出功率25.6 mW，最窄脈沖帶寬2.6 μs; 并且通過可調諧FP 濾光片，可以實現1530.97 ～ 1546.92 nm。同年該作者采用一個同樣的飽和吸收體，實現了1.53 μm 脈沖Er 光纖激光器與1.06 μm 脈沖Er∶Yb 共摻雜光纖激光器同步雙波長輸出，如圖6 所示。波長1.06 μm 的單脈沖能量高達5.30 μJ，波長1.53 μm 的單脈沖能量達到1.20 μJ。Er∶Yb 共摻雜光纖激光器的輸出功率為33.5 mW，脈沖寬度3.9 μs; Er 光纖激光器輸出功率106.2 mW，重復頻率20. 03 kHz，最窄脈沖寬度3.1 μs。

4 石墨烯調Q 光纖激光器的發(fā)展趨勢

隨著光纖激光器與石墨烯技術的進步，石墨烯被動調Q 光纖激光器呈現出新的發(fā)展趨勢。

4.1 性能優(yōu)良飽和吸收體的制作

被動調Q 光纖激光器，需要插入損耗小、性能穩(wěn)定、損傷閾值高、耦合效率高的石墨烯飽和吸收體。這需要在石墨烯制作的過程中，盡量減少缺陷和雜質。很顯然，性能優(yōu)良的石墨烯飽和吸收體是被動調Q 光纖激光器發(fā)展的關鍵。如采用超聲波轉移法替代PMMA 轉移法制作的單層石墨烯石英片，“褶皺”( wrinkles) 和缺陷更少，相應的散射損耗和吸收損耗更少。

4.2 調Q激光器性能指標進一步提高

近年來石墨烯技術飛速發(fā)展，相應光纖激光器的輸出功率、單脈沖能量、峰值功率進一步提高，脈沖寬度進一步壓縮。覆蓋的光譜范圍更寬，可以實現可調諧、雙波長及多波長同時輸出。

4.3 產品研究與開發(fā)

目前石墨烯被動鎖模光纖激光器已經商品化，但石墨烯被動調Q 的光纖激光器產品，還未見報道。

5 結語

全固態(tài)激光技術是我國在國際上為數不多的從激光材料到系統(tǒng)集成都擁有整體優(yōu)勢的高技術領域之一，石墨烯被動調Q 光纖激光器的研究也非?；钴S。本文詳細的介紹石墨烯飽和吸收體的制備，回顧了被動調Q 光纖激光器的研究現狀，并分析了其發(fā)展趨勢。對石墨烯被動調Q 光纖激光器的研究與發(fā)展，有一定的借鑒意義。(作者：廈門理工學院光電與通信工程學院 福建省高校光電技術重點實驗室 林洪沂，黃曉樺，許英朝，肖旻)