基于新型氧化石墨烯可饱和吸收体的高功率被动锁模激光特性研究

The pauli blocking effect of graphene results in its characteristic of saturable absorption. Therefore, graphene can be used as a saturable absorber in the generation of ultrashort pulse. The new type of graphene oxide can dissolve in water, so graphene oxide has more advantages than graphene in the preparation of aqeous solution and saturable absorber. In our project, the vertical growing method of new type graphene oxide is researched. A polymer-free graphene oxide and coating a dielectric film can improve the damage threshold of graphene oxide. The relationship between the generation, formation and stable operation of passively mode-locked laser pulses and the macro parameters of graphene oxide is revealed. Theoretical model of passively mode locking based on graphene oxide is established. High power passively mode-locked based on graphene oxide saturable absorber is successfully obtained. This research has significant innovation and practicality. It is a new research method of mode-locked laser characteristic based on new type of graphene oxide saturable absorber.

石墨烯的泡利阻塞效应使其具有非线性饱和吸收特性，可用作可饱和吸收体产生超短脉冲。新型氧化石墨烯溶解于水，在制备水分散液及吸收体方面比石墨烯更有优势。本项目对新型氧化石墨烯吸收体的垂直生长方法进行研究，采用非聚合物材料及镀保护膜的方法提高氧化石墨烯吸收体的抗激光损伤阈值。揭示基于氧化石墨烯的被动锁模激光脉冲的产生、形成及稳定运转与宏观参量的内在联系。建立氧化石墨烯非线性饱和吸收被动锁模的理论模型。并成功获得基于新型氧化石墨烯吸收体的高功率（>3W）被动锁模激光运转。该研究具有显著的创新性和实用性，为新型氧化石墨烯吸收体及其被动锁模激光特性的研究开辟了新方案。

被动锁模激光器由于具有窄脉冲宽度、高脉冲重复频率和高峰值功率，在激光精细加工、激光医疗、非线性光学频率变换等领域具有广泛的应用。作为一种新型的可饱和吸收体，石墨烯具有波长覆盖范围宽和超快恢复时间等优点，因此基于石墨烯的锁模激光成为研究热点。新型氧化石墨烯溶解于水，在制备水分散液及吸收体方面比石墨烯更有优势。本项目对新型氧化石墨烯吸收体的垂直生长方法进行研究，采用镀保护膜的方法提高氧化石墨烯吸收体的抗激光损伤阈值。对氧化石墨烯吸收体透过率、调制深度、饱和通量等光学参数进行测量，选择参数合适的氧化石墨烯吸收体进行实验研究。在氧化石墨烯被动调Q激光特性研究中，吸收体的调制深度为10%，当泵浦功率为11.5 W时，1064 nm稳定调Q激光的输出功率为1.353 W，脉冲宽度为186 ns，重复频率为336.7 kHz，最大单脉冲能量为4 μJ。研究吸收体的调制深度、饱和通量等参数对锁模脉冲宽度等的影响，用基于氧化石墨烯吸收体的被动锁模理论指导实验，当泵浦功率为12.1W时，获得3.05W波长1064nm的连续锁模激光运转，光光转换效率达25.2%。锁模脉冲的重复频率为80MHz。锁模激光输出功率为3.05W时，用自相关仪测量锁模的脉冲宽度为13.5ps，相应的单脉冲能量为38.1nJ，峰值功率为2.82kW。锁模激光光束质量Mx2和My2分别为1.16和1.2。通过本项目的研究，充分展示了氧化石墨烯作为新型可饱和吸收材料具有的优秀激光特性，为高效率、低成本全固态被动锁模激光器的研究开辟了新方案。本项目发表SCI收录论文11篇，申请发明专利3项。