基于石墨烯可饱和吸收体的脉冲光纤激光器研究进展
王金章,蔡志平*,罗正钱,许惠英
【摘 要】摘要： 单层石墨烯是一种具有独特电学及光学特性的二维碳材料,尤其是在光学应用方面,它对可见光到近红外波段范围内光波仅有2.3%的线性吸收．由于石墨烯的独特性质,使得它可以作为一种具有超快响应时间以及超宽带工作特性的可饱和吸收体．本综述将展开石墨烯的线性及非线性光学特性分析,并重点阐述基于石墨烯可饱和吸收体的调Q及锁模光纤激光器研究进展,并指出厦门大学光电子技术研究所近几年来在这一方面所取得的成果． 【期刊名称】厦门大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2014(053)005 【总页数】9
【关键词】石墨烯;可饱和吸收体;锁模;调Q;光纤激光器 石墨烯专题 ·综 述·
脉冲激光器已经成为激光制造加工业的关键设备之一[1-3],囊括了科学研究、商业及工业等领域的应用．随着调Q和锁模技术以及增激光增益介质的不断发展,已可从许多不同波长的激光系统中获得脉冲输出．目前的主要前沿技术问题是制作结构紧凑、稳固、低廉及更加实用的激光源．其中,光纤激光器由于具有简单和紧凑的结构,高效散热方式,高稳定性,好的光斑质量,并且不需复杂的准直操作等优点而倍受关注[2,4-5]，它们独特的几何结构是其能够适用于大范围商业应用的关键因素.
另一方面,脉冲产生有主动及被动2种方式,主动调制需要在激光腔中外加调制器
(声光/电光调制器)实现,这既增加了系统成本,也降低了系统便携性;而被动调制方式则无需任何外置器件,只需在腔内加入一个幅度自调制器件即可满足要求,因而得到了广泛应用．基于被动调制的优点,目前大部分商用化脉冲光纤激光器都是采用被动方式实现,其中最常见的2种被动调制方式是调Q和锁模技术,其关键技术是在腔内加入可饱和吸收体(SA),从而起到幅度自调制的作用,即当输入光强越强,SA吸收越小,有利于抑制连续波实现脉冲输出．当前常见的SA包含染料、掺Cr4+晶体、半导体可饱和吸收镜(SESAM),以及最近新兴的碳纳米管(CNT)和石墨烯等[6]．相比其他类型SA,石墨烯因具有超快恢复时间以及超宽带工作波长(覆盖可见光到近红外波段)两个最主要的特性而获得了广泛研究[7],并具备成为未来新一代主力SA的潜力．在被动调Q光纤激光器方面,石墨烯的超宽带工作波长是它最主要的优势;而在被动锁模光纤激光器方面,除了超宽带工作波长之外,它的超快恢复时间有助于获得超窄脉冲输出．
单层石墨烯是碳原子通过sp2杂化由碳六元环组成的二维(2D)周期蜂窝状点阵结构,它的厚度只有碳原子尺寸大小,同时它可以翘曲成零维(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一维的碳纳米管或者堆垛成三维(3D)的石墨(graphite),因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元[8]．石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环,是最理想的二维纳米材料,由其组成的其他材料也具有极高的稳定性．历史上,二维石墨烯是一种即旧又新的材料,多年来石墨烯一直被认为拥有独特能带结构以及有趣的半金属电学性质[9],但是纯净的单层石墨烯被认定为无法在自由空间状态下存在．直到2004年,英国曼彻斯特大学科学家Geim和Novoselov利用透明胶带剥离石墨的方法成功制造了少层及单层石墨烯[10]．它们许多不寻常的物理性质也在不久后纷纷被证实[7-8]．在本综述中,我
们介绍了石墨烯的基础性质,包括制备方法、线性以及非线性光学特性,详细介绍了目前石墨烯集成SA器件用于光纤激光器中的3种方法,并比较了各自的优劣势．最后回顾了目前石墨烯锁模和调Q光纤激光器的研究进展,并指出了本课题组在这一领域所取得的成就．
1 石墨烯的制备及光学性质
1.1 石墨烯的制备
单层石墨烯最早是用胶带微机械剥离法从块状石墨上剥离出来,也称作透明胶带剥离法[10]．首先使用胶带把石墨薄片分离成2片,并不断重复这一动作从而不断减小石墨薄片的厚度,直到获得几微米到几毫米尺寸的少层甚至是单层石墨烯[7-8]．这种方法能够提供最高质量单层石墨烯,但是不适合大面积制备,目前只能作为实验室小规模制备．另外一种能够获得大规模制备的剥离法是液相剥离法(LPE)[11],将少量的石墨薄片分散于溶剂中,利用超声波作用破坏石墨层间的范德华力,此时溶剂可以插入石墨层间,进行层层剥离,制备出石墨烯,最后利用离心作用提纯石墨烯．该方法获得的石墨烯尺寸较小,一般都是微米级别,不过却适合非线性光学应用．
事实上,制备大规模大面积少层或单层石墨烯的最佳办法是化学气相沉积(CVD)[12],利用甲烷等碳化合物和氢气在高温下发生化学反应形成碳物质沉积在金属衬底表面,这种方法制备的石墨烯纯度高,尺寸可控(取决于所用衬底尺寸)．此外,还有一种常见的适用于大规模制备的方法是氧化还原法(RGO)[13],将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨,经过超声分散制备成氧化石墨烯(GO),加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团,得到石墨烯,其性能与LPE方法制备的石墨烯相近．
基于石墨烯可饱和吸收体的脉冲光纤激光器研究进展
