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专业学位研究生培养环节之材料二湖南大学硕士专业学位研究生毕业（学位）论文选题报告姓名王小虎学号S1307W3016已修学分25所属学院物理与微电子科学学院专业学位领域电子与通信工程指导教师赵楚军选题时间2014年11月20日研究方向固体激光器论文题目1.6μm同带泵浦石墨烯被动调Q固体激光器一、课题来源与选题依据1.6μm激光器除了在自由空间通讯、遥感等领域的应用,也是产生3~5μm中红外激光的重要光源基础。3~5μm的中红外波段是重要的大气窗口,也是军用红外探测器的主要工作区域,该波段激光对大雾、烟尘等具有较强的穿透力,在海平面上传输受到的气体分子吸收和悬浮物散射的影响很小。红外制导导弹探测器(如Insb,HgcdTe等)的响应范围在3~5μm波段,因而针对红外导引头的光电对抗迫切需要该波段的激光器件。在军事上,中红外激光器主要用于光电对抗以及生化战剂的探测,用中红外波段的多束激光,一可以干扰红外热寻的导弹,摧毁在不同距离和高度的目标。Er:YAG固体激光器，成为我们精确产生1.645μm波段高功率窄线宽激光输出的主要方法和手段,然后以此作为后阶段OPO的泵浦源，实现双波长的3～5μm中红外激光高效率、高功率输出。工作波长在1.6μm附近人眼安全波段的激光器在激光遥感，激光雷达，自由空间激光通讯等许多领域有着广泛的应用价值和前景。其主要原因有以下几点:(l)在这些应用领域中,所采用的激光波长必须处于人眼安全波段,而1.6μm附近处于这个波段。(2)这些应用领域要求激光束在大气中传播时具有较高的透过率,而1.6μm附近正好是大气的近红外窗口。(3)光电传感器对波长在1.6μm附近的光有较高的响应灵明度。实现1.6μm附近波段激光输出主要有两类方式：一类是采用非线性光学的方式将其他波长的激光转换为1.6μm附近波长的激光。例如,利用光学参量振荡器（OPO）将掺2Nd激光器输出的1.06μm波长激光转换为1.6μm。光参量振荡器是由泵浦激光器、非线性晶体和光学谐振腔构成，利用频率下转换技术，将激光器发射的短波长激光转换为长波长波段的激光；利用非线性晶体的折射率对激光入射角度、晶体温度的变化特性，通过改变晶体角度和调节晶体温度来实现连续的波长调谐。光参量振荡器主要具有以下特点：（1）调谐范围大；（2）光参量振荡器是经过非线性晶体的频率转换作用进行出光，因此只需一块或几块晶体就能实现高调谐范围的波长输出，这一点不同于染料激光器或气体激光器；其泵浦源是Nd:YAG固体激光器或其他掺杂稀土元素的固体激光器，体积小且结构简单，因此可以做到整体结构紧凑、全固化状态；（3）可实现大功率、窄线宽输出：目前有的OPO输出可达几百毫焦、功率几十瓦，最窄线宽0.02cm-1。另一类常见的方式则是以掺Er的固体材料作为激光增益介质,实现1.6μm波长的激光输出,包括体块型，微片型和光纤激光器。光纤激光器由于具有较大的“表面积一体积比”,对热负荷的承载能力明显优于体块型固体激光器；而且光纤的纤芯尺寸小,能够对光场模式起到很好的限制作用,因此光纤激光器的光束质量一般也会优于体块型固体激光器。此外,光纤激光器还具有波长可协调范围大等优点。但是由于纤芯尺寸小而且纤芯材料能够承载的功率密度有限,所以并不适合高能脉冲运转;为了获得高功率、高能量的脉冲激光,必须使用体块材料。Er:YAG晶体对1532nm波长附近的光有很好的吸收；因此可以采用共振抽运(或称同带抽运)的方式,利用能级斯塔克分裂形成的能带,在2个能带之间构建基于子能级的准三能级或者准四能级系统,用于实现激光器运转必须的粒子数反转要求。用1.5μm的抽运光实现1.6μm的激光发射,理论上可以达到90%以上的量子效率,激光系统中热效应的影响将大大降低。1985年,Killinger等人首次利用共振抽运Er:YAG激光器在77K的温度下实现了1.64μm的激光输出。在室温下利用单掺Er材料共振抽运实现高功率激光输出,较具代表性的是D.Garbuzov等人所做的工作，他们利用二极管激光器抽运Er:YAG激光器,得到了110W(0.9J)的脉冲激光输出。2005年,D.Y.Shen等人使用包层抽运的双包层Er,Yb共掺杂光纤激光器抽运光中心波长为1532nm，功率为60.3W；与此对应的输出光束M2=3，性能优越。在电光调Q运行的模式下,则获得了重复频率为1kHz,单脉冲能量约为4mJ,峰值功率约为42kw,脉宽约为100ns的脉冲输出。随后,他们又采用同样的方案实现了单脉冲总能量最高为15mJ,脉宽为67ns,对应的峰值功率高达220kw的更好结果。2010年，N.W.H.Chang等人采用二极管激光器泵浦的方式得到了稳定的单频1645nm激光3输出。他们采用两台二极管激光器泵浦，同时在谐振腔内加入起偏器，使得泵浦光能被晶体充分利用。为了获得稳定的单频输出而在谐振腔内加入了标准具和Brewster片。为了得到高的峰值功率和窄的单个脉冲，必须采用Q调制技术，基本原理是通过某种方法使谐振腔的损耗因子按照规定的程序变化。采用调Q技术很容易获得峰值功率高于兆瓦，脉宽为几十毫微秒的激光巨脉冲。常用的调Q方法有电光调Q、声光调Q与饱和吸收调Q等。前两种方法中谐振腔损耗由外部驱动源控制，称为主动调Q。后一种方法中谐振腔损耗取决于腔内激光光强，因此称为被动调Q。石墨烯，由于独特的二维结构，优越的电学和光学性质受到了越来越多的关注，被确定为是一种有潜力的可饱和吸收体广泛应用与调Q激光器中。传统可饱和吸收体，半导体可饱和吸收镜（SESAMs）需要复杂的生长技术，为了减少恢复时间经常采用离子注入的方法。碳纳米管虽然容易制造且生产成本低，但要实现宽波段的工作带宽，必须采用不同直径碳纳米光的进行组合。而对于石墨烯来说，由于狄拉克电子无能隙的线性色散，与波长无关的饱和吸收是与生俱来的特性。石墨烯作为可饱和吸收体的优点：工作带宽宽，恢复时间短，脉冲能量高，损伤阈值高，饱和能量低，饱和吸收调制深度大。2005年，C.Q.Gao,等人采用石墨烯作为可饱和吸收体，获得了1645nm的激光输出，脉冲能量为7.05μJ。首次报导了用多层石墨烯实现共振泵浦1645nmEr:YAG调Q。2013年，Z.X.Zhu,等人第一次实现了错误!未找到引用源。陶瓷激光器的被动调Q。沉积在石英衬底上的石墨烯作为可饱和吸收体，Er/Yb共掺杂光纤激光器为泵浦源，调Q脉冲的能量，重频分别为：7.08μJ和74.6kHz。主要参考文献：[1]吕百达著.激光光学：光束描述、传输变换与光腔技术物理（第三版）.北京：高等教育出版社，2003[2]姚建栓，徐德刚.全固态激光机非线性光学频率变换技术[M].北京:科学出版社,2007[3]W.克希奈尔.固体激光工程[M].北京:科学出版社,2002.[4]周炳琨，高以智，陈碉嵘，陈家骅著.激光原理（第六版）.国防工业出版社，2011.[5]刘迪,重复频率铒YAG激光器的设计与研究[D].长春理工大学,2009.[6]李淳飞著.非线性光学（第二版）.北京：电子工业出版社，2009.[7]李善峰，掺Er激光玻璃的光学性质，大连理工大学，2005.3.4[8]姚宝权，中红外光参量振荡器发展状况分析，激光技术，June，2002，Vol26，No3.[9]XiaoqiZhang,JunLiu,DeyuanShen,etal.EfficientGrapheneQ-SwitchingofanIn-BandPumpedPolycrystallineEr:YAGCeramicLaserat1617nm[J].IEEEPhotonicsTechnologyLett,2013,25(13):1294-1296.[10]N.W.H.Chang,N.Simakov,D.J.Hosken,J.Munch,D.J.OttawayandP.J.Veitch.Resonantlydiode-pumpedcontinuous-waveandQ-switchedEr:YAGlaserat1645nm[J].Opt.Express,2010,18:13673.[11]D.Y.Shen,J.K.Sahu,andW.A.Clarkson.HighlyefficientEr,Yb-dopedfiberlaserwith188Wfree-runningand100Wtunableoutputpower[J].Opt.Express,2005,13:4916.[12]N.W.H.Chang,D.J.Hosken,J.Munch,D.Ottaway,andP.J.Veitch.Stable,SingleFrequencyEr:YAGLasersat1.6μm[J].IEEEJ.QuantumElectron.2010,46:1039.[13]I.S.Moskalev,V.V.Fedorov,V.P.Gapontsev,D.V.Gapontsev,N.S.Platonov,andS.B.Mirov.Highlyefficient,narrow-linewidth,andsinglefrequencyactivelyandpassivelyQ-switchedfiber-bulkhybridEr:YAGlasersoperatingat1645nm[J].Opt.Express.2008,16:19427.[14]L.Zhu,M.J.Wang,J.Zhou,andW.B.Chen,“Efficient1645nmcontinuous-waveandQ-switchedEr:YAGlaserpumpedby1532nmnarrow-bandlaserdiode,”Opt.Express19,26810(2011).[15]I.Kudryashov,andA.Katsnelson.1645nmQ-switchedEr:YAGlaserwithin-banddiodepumping[J].Proc.SPIE,2010,7686:76860B.[16]A.Aubourg,J.Didierjean,N.Aubry,F.Balembois,andP.Georges.PassivelyQ-switcheddiode-pumpedEr:YAGsolid-statelaser[J].Opt.Lett.2013，38:938(2013).[17]M.Nemec,H.Jelankova,J.Sulc,K.Nejezchleb,andV.Skoda.PassivelyQ-switchedResonantlyPumpedEr:YAGLaser[J].Proc.SPIE,2010,7721:772113.[18]H.H.Yu,X.F.Chen,H.J.Zhang,X.G.Xu,X.B.Hu,Zh.P.Wang,J.Y.Wang,S.D.Zhuang,andM.H.Jiang,“LargeEnergyPulseGenerationModulatedbyGrapheneEpitaxiallyGrownon[19]Q.Wang,H.Teng,Y.W.Zou,Zh.G.Zhang,D.H.Li,R.Wang,Ch.Q.Gao,J.J.Lin,L.W.Guo,andZh.Y.Wei.GrapheneonSiCasaQ-switcherfora2μmlaser[J].Opt.5Lett.2012,37:395.[20]S.Yamashita.ATutorialonNonlinearPhotonicApplicationsofCarbonNanotubeandGraphene[J].J.LightwaveTechnol.2012,30:427.[21]Q.L.Bao,H.Zhang,Y,Wang,Z.H.Ni,Z.X.Shen,K.P.Loh,andD.Y.Tang.Atomic-LayerGrapheneasaSaturableAbsorberforUltrafastPulsedLasers[J].Adv.