基于石墨烯可饱和吸收体的超宽带可调的2-3微米飞秒锁模激光器研究

2-3 μm波段飞秒激光在时间分辨分子光谱学，医疗制药，半导体材料微加工，多光子显微镜，空间通讯等领域有非常重要的潜在应用。发展2-3μm波段高峰值功率激光系统，光参量放大(OPA)也需要波长可调的高质量的2-3μm飞秒种子源。然而，由于目前该波段可饱和吸收体存在带宽不足和吸收恢复时间过慢等问题，目前国际上只能产生非可调的百飞秒到皮秒级的锁模脉冲，这还远不能满足其应用需求。石墨烯宽带可饱和吸收体的出现，为发展2-3μm超宽带可调的飞秒锁模激光器提供了契机。该项目通过对基于石墨烯可饱和吸收体的2-3 μm 超宽带可调的Cr:ZnSe锁模激光器研究，掌握石墨烯在该波段的可饱和吸收性质以及作为宽带被动锁模元件的综合性能，并解决2-3 μm波段锁模激光器的宽带色散控制问题，最终为2-3μm波段锁模激光技术的发展奠定基础。

2－3微米波段的中红外超快激光是气体分子超快光谱学、半导体材料微加工、自由空间光通讯、激光医疗、军事应用等领域不可或缺的激光光源。然而，受中红外波段材料、器件以及检测技术的限制，目前中红外超快激光技术远落后于近红外波段。众所周知，锁模技术是产生超短脉冲激光的最直接手段。然而，在近红外波段通用的半导体可饱和吸收镜（SESAM）锁模技术在中红外波段面临晶格失配的技术瓶颈，因此发展中红外超快锁模激光技术其首要问题是解决可工作在中红外波段的可饱和吸收镜问题。. 在该项目中，我们自主研制成功了超宽带的石墨烯－金膜可饱和吸收镜，已证实其可饱和吸收带宽达到1400nm,是目前报道的带宽最宽的可饱和吸收镜。该石墨烯－金膜可饱和吸收镜结合了石墨烯的宽带可饱和吸收以及金膜超宽带反射的优势，并通过金原子对石墨烯的掺杂效应有效降低了石墨烯的吸收损耗，因此具有超宽带宽、低损耗的特点，特别适合作为中红外波段的可饱和吸收锁模器件。利用同一块石墨烯－金膜可饱和吸收镜，我们演示了1um波段、2um波段、2.4um波段三套激光器的锁模性能，其中研制的2.4um波段Cr:ZnSe超快锁模激光器系统，输出脉冲宽度为116fs,平均输出功率为60mW, 重复频率~99MHz, 在锁模状态下实现了2284－2426nm的可连续调谐输出，该结果是国内首次实现了2.4um波段的锁模超快激光输出。研制的2um波段Tm:CLNGG锁模激光器系统，其脉冲宽度为354fs, 平均输出功率达到97mW,国内首次在该波段实现了飞秒锁模脉冲输出。同时，针对中红外材料折射率难于直接测量的困难，发明了中红外多波长材料折射率的测量装置及其测量方法，为中红外波段激光材料和器件镀膜设计提供了便利。 . 中红外超快激光是激光技术发展的一个前沿研究方向，《nature photonics》主编曾在2012年第7期开篇中评论创新的中红外激光技术可能带来不可预知的重大科学发现。在该项目中，我们研制的中红外波段超宽带石墨烯－金膜可饱和吸收镜，解决了中红外波段超快激光技术发展核心的可饱和吸收镜问题，为中红外超快激光技术的发展铺平了道路。同时，研制的中红外2um、2.4um波段飞秒激光器系统也弥补了国内空白，为其应用创造了条件。