基于石墨烯饱和吸收被动锁模超快动力学研究

石墨烯（graphene）是一种由单层碳原子紧密堆积成蜂窝状晶格结构的二维新型单晶材料。由于其特殊的零带隙能带结构以及强激发下带间载流子跃迁复合所产生强烈的泡利阻塞效应，石墨烯表现出不依赖于光学波长的非线性饱和吸收特性。本项目以石墨烯为对象，分析石墨烯非线性饱和吸收锁模超快脉冲的生成、稳定及自启动过程与宏观参量特性之间的内在关系；开展石墨烯非线性饱和吸收被动锁模动力学过程的理论研究；完成对超快脉冲有重要应用前景的石墨烯单晶薄膜材料的设计与制备；实现基于石墨烯饱和吸收被动锁模1.0μm ~1.5μm的掺Yb和Yb:Er双掺晶体全固态连续波超快激光输出。项目的研究不论在理论上还在实际应用中，对深入了解石墨烯这种复合功能晶体材料在光电子器件中应用有重要的应用价值和科学意义。

新型超快脉冲光源的探索仍然是当今科学技术中一个重要的研究领域。石墨烯作为饱和吸收调制元件，具有饱和强度低、恢复时间短、调制深度大和波长调谐范围宽等优点，且制备成本很低，是一种在超快脉冲产生、光纤孤子通讯、光开关等诸多现代光子学领域中极有应用背景的多功能材料。本项目从理论上开展石墨烯非线性饱和吸收被动锁模动力学研究，分析石墨烯非线性饱和吸收锁模动力学过程的宏观参量与微观结构之间的内在关系；利用液相剥离方法成功制备出大尺寸石墨烯和氧化还原石墨烯（RGO）并设计成饱和吸收镜，将其应用于全固态锁模脉冲激光器件中，成功的实现了基于石墨烯锁模的超快脉冲输出。分别获得石墨烯高功率连续波锁模Nd:GdVO4 1.065µm和1.341µm皮秒脉冲激光输出；在宽增益Yb:KGW晶体中实现功率为504 mW 脉宽为428 fs的1031.1 nm激光运转；利用RGO为饱和吸收镜,实现了Yb:GGG被动锁模643 fs激光,功率高达800mW. 我们将石墨烯锁模波段延伸到2 μm，研究了石墨烯被动开关短脉冲激光特性，实现了石墨烯调Q Tm:YAP 1.938μm激光输出，脉冲宽度~735ns、重复频率20-42kHz、平均功率400mW。上述研究工作展示了石墨烯作为非线性饱和吸收材料具有的极短恢复时间、低损耗和成本低廉等优秀的光电性能，为研制高效率、低成本全固体超快激光器提供了新的方法与思路，研究成果引起国内外激光同行的关注。我们在Optics Letters,36, 1948 (2011)发表的文章到目前SCI引用已超过60次，被美国光学学会（OSA）列为激光与激光光学领域OAS杂志最优秀文章之一（The Best in Laser and Laser Optics Content from OSA’s Journals），是近两年OAS三大光学期刊《Advances in Optics& photonics》, 《Optics Letters》, 《Optics Express》激光领域中最大下载量的20篇文章之一。2011年12月我们在Appl.Phys.Lett上发表的文章被2010年诺贝尔物理奖获得者K.S.Novoselov 在《Nature》490,（2012）192综述文章中引用。