1、 基于无衬底反射型石墨烯的被动调 Q 掺铒光纤激光器摘要本次毕业设计的主要任务是通过研究基于无衬底反射型石墨烯的被动调 Q 掺铒光纤激光器的孤子输出特性，为以后利用基于石墨烯的光通信事业做好基础性研究。本篇论文主要是通过介绍无衬底石墨烯相对于有衬底石墨烯的优势后，在介绍掺饵光纤激光器的工作原理后，以及我们所提到的调 Q 原理，特别是我们所选择的被动调 Q，而后结合石墨烯的各类优势而被选择为我们所期望的基于石墨烯饱和吸收体的被送调 Q 掺饵光纤激光器。随后我们利用可用的实验条件：用该石墨烯调 Q 开关作为可饱和吸收体，具有环形腔结构的被动调 Q 掺铒光纤激光器，实现了石墨烯被动调 Q 激光脉冲输
2、出，然后在输出端分别采用光谱仪、光电探头和示波器来对输出脉冲的光谱、脉冲宽度和脉冲序列进行测量与研究。关键字:石墨烯；掺铒光纤；被动调 Q；激光器；脉冲Abstract目录摘要Abstract第一章 绪论.11.1 研究背景11.2 研究目的.21.3 论文构成及研究内容3第二章 石墨烯的基础理论42.1 石墨烯特性62.2 石墨烯制备方法92.3 无衬底石墨烯对于实验的优势.10第三章 调 Q 技术3.1 调 Q 原理3.2 调 Q 方法3.2.1 主动调 Q.3.2.2 被动调 Q.3.3 小结第 4 章 掺铒光纤激光器4.1 光纤激光器工作原理4.2 光纤激光器的分类4.3 掺饵光纤激光
3、器4.3.1 掺饵光纤激光器的优势第五章 基于石墨烯被动调 Q 掺铒光纤激光器输出脉冲分析5.1 实验装置5.1.1 实验装置功能介绍5.1.2 实验原理介绍5.2 实验结果5.2.1 实验数据记录与分析5.2.2 输出脉冲分析第 1 章 绪论1.1 研究背景在如今的高速大容量通信需求中，光纤激光器已经成为基于密集波分复用(DWDM)的全光纤通信系统中的关键器件。虽然半导体激光器是目前通信系统中最常用的激光器光源，但是它仍具有很多缺点，如价格高、与传输光纤耦合困难等，这样就会大大制约高速光纤通信系统的发展。与半导体激光器相比，掺铒光纤激光器具有很多非常卓越的优点，如激光泵浦阈值低且泵浦斜率效率
4、高，荧光光谱较宽以及其通信用激光波长位于 1550 nm，恰好处在光通信的低损耗窗口，同时还与光纤通信系统兼容性好等，因此引起研究人员的广泛关注，被认为是未来长距离大容量的超高速全光纤通信系统的理想光源。被动调 Q 光纤激光器具有体积小，重量轻，结构牢固，成本低和寿命长等诸多优点，所以被广泛应用。被动调 Q 光纤激光器 采用可饱和吸收体来实现，传统的可饱和吸收体主要包括过渡族金属掺杂晶体，半导体可吸收镜（SESAM）,单壁碳纳米管（ SWNT） 。过渡族金属掺杂晶体作为可饱和吸收体不利于实现激光器的全纤化，SESAM 虽然具有稳定性高，可靠性好等优点。但是成本偏高，且容易损伤。SWNT 具有成
5、本低廉等优势，但响应波长与管的直径有关，导致其可饱和吸收带宽较窄。石墨烯是碳原子紧密堆积成的单层窝状结构晶体，具有独特的力学，热学，光学特性，在光电子，信息，能源，材料和生物医药等领域具有重要应用前景。石墨烯作为一种新型的可饱和吸收体，在光纤锁模，调 Q 激光器中的应用已经引起广泛的关注，与传统的锁模，调 Q 可饱和吸收体相比，石墨烯具有较长宽的波长覆盖范围，较低的可饱和吸收阈值，超快的恢复时间以及成本低廉的优点。2009 年，Bao 等次证实了石墨烯可作为可饱和吸收体实现光纤激光器的锁模，此后，许多基于石墨烯的锁模，调 Q 激光器相继被报道。1.2 研究目的本次毕设研究的主要目的是利用实验室
6、构建一个基于石墨烯饱和吸收体的被动调 Q 掺铒光纤激光器，随后通过理论的研究对于此激光器的脉冲输出状态进行实际的操作观察，并且对于其脉冲输出状态进行分析研究，对于其光谱特性，以及时域特性特性的研究。分析利用结果，进一步明确其在实验操作的结果之下，能够在实践中的可利用理论进行基本的猜测以及为以后的时间利用做好理论基础。实际的毕设研究目的主要分为以下几个部分内容：1. 研究无衬底石墨烯的优势，2. 了解调 Q 的机理3. 了解光纤激光器的工作原理。4. 学习并了解的各组成器件的构造以及原理。5. 利用无衬底反射型的石墨烯，搭建被动调 Q 掺铒光纤激光器，记录并且分析实验结果，为基于石墨烯光学特性的
7、光电子器件开展基础性研究工作。1.3 论文构成及研究内容此篇毕设论文在于研究基于无衬底石墨烯可饱和吸收的被动调 Q 掺饵激光器。首先通过简单的理论的学习了解石墨烯用于被动调 Q 的原理还有无衬底石墨烯可作为光纤激光器饱和吸收体所具有的独特的非线性光学特性，然后搭建基于无衬底反射型石墨烯的饱和吸收体的被动调 Q 掺饵光纤激光器。研究其孤子状态，包括其光谱特性，以及脉冲特点。全论文分为四章。第一章绪论主要讲述了有关光纤激光器的研究背景以及发展前景，简单的介绍了本次毕设课题研究的目的，随后介绍了本篇论文的构成。第二章主要是一些有关石墨烯掺铒光纤孤子激光器的相关理论知识的介绍。首先介绍了激光器中的调
8、Q 原理，包括主动与被动调 Q 原理，以及我们主流的光纤激光器实现被动调 Q 的方法。第三章主要讲述了石墨烯的基础知识，包括石墨烯的发展简介以及石墨烯的特点优势，制备方法，以及它用于调 Q 的方法。第 4 章主则主要体现掺饵光纤激光器的基本知识，包括光纤激光器的分类以及工作原理，以及掺饵光纤激光器的优势。第 5 章第五章主要是介绍基于石墨烯的被动调 Q 掺饵光纤激光器，包括实验装置，实验介绍，以及实验结果的分记录与分析。在最后对本篇论文进行总结。第二章 石墨烯掺铒光纤孤子激光器的相关理论第 6 章光纤调 Q 脉冲激光器具有体积小、重量轻、结构牢固、寿命长等诸多优点，在工业、通讯、军事、医疗等各
9、领域得到了广泛应用，已引起人们极大的兴趣。特别是高功率、高重复频率的被动调 Q 光纤脉冲激光器在激光微加工等领域具有无法比拟的优势。目前实现被动调 Q 的主要技术包括过渡金属晶体，半导体可饱和吸收镜（SESAM），碳纳米管（SWNT）等。最近，研究表明石墨烯材料可作为一种新型的可饱和吸收体实现光纤激光器的锁模或被动调Q。相比于传统半导体锁模器件半导体可饱和吸收镜及碳纳米管 ,石墨烯材料具有较宽的波长覆盖范围、较低的可饱和吸收阈值、超快的恢复时间、制备成本低、过程简单等优点。2.1 调 Q 理论激光调 Q 技术是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中，从而使激光光源的峰值功率提高几个数量级的一种技术。
10、激光调 Q 技术的基础是一种特殊的光学元件- 快速腔内光开关，一般称为激光调 Q 开关或简称为 Q 开关。激光调 Q 技术的目的是：压缩脉冲宽度，提高峰值功率。2.1.1 调 Q 原理Q 值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标，称之为品质因数。 Q 值定义为：Q=2*谐振腔内储存的能量 /每震荡周期损耗的能量。因此，Q 值愈高，所需要的泵浦阈值就越低，亦即激光愈容易起振。在一般的脉冲固体激光器中，若不采用特殊的措施，脉冲激光在腔内的振荡持续时间与光泵脉冲时间(毫秒量级左右)大致相同，因此输出激光的脉冲功率水平亦总是有限的。但是如果采用一种特殊的技术，使光泵脉冲开始后相当长一段时间，有意降低共
11、振腔的 Q 值而不产生激光振荡，则工作物质内的粒子数反转程度会不断通过光泵积累而增大，然后在某一特殊选定的时刻，突然快速增大共振腔的 Q 值，使腔内迅速发生激光振荡，积累到较高程度的反转粒子数能量会集中在很短的时间间隔内快速释放出来，从而可获得很窄脉冲宽度和高峰值功率的激光输出。实现以上目的，最常用的方法是在共振腔内引入一个快速光开关-Q 开关，其在光泵脉冲开始后的一段时间内处于“关闭”或“低 Q”状态，此时腔内不能形成振荡而粒子数反转不断得到增强。在粒子数反转程度达到最大时，腔内 Q 开关突然处于“接通”或“高 Q”状态，从而在腔内形成瞬时的强激光振荡，并产生所谓的调 Q 激光脉冲输出到腔外
12、。2.2 调 Q 方法激光器调 Q 有主被动之分，主动调 Q 一般是有电光晶体调 Q，声光晶体调Q；被动调 Q 一般有可吸收染料调 Q，Cr4：YAG 可饱和吸收调 Q，相比主动调 Q 光纤激光器，被动调 Q 光纤激光器通常具有成本低、结构简单、设计灵活等优点。接下来我们主要介绍调 Q 的两种常见方法：2.21 主动调 QA、电光调 Q 技术利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，调节腔内光子的发射损耗。开始工作时，晶体两端加一电压，由于晶体的偏振效应，谐振腔的损耗很大，Q 值低，激光不振荡，激光上能级不断积累粒子数， Q 开光处于关闭状态。某一特定时刻，突然撤去晶体两端电压，谐振腔突变至
13、损耗低，Q 值高，Q 开关打开，形成巨脉冲激光。典型的 Nd：YAG，电光调 Q 激光器的输出光脉冲宽度约为纳秒级，峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦。适用于脉冲式泵浦激光器。B、声光调 Q 技术声光调 Q 技术，是利用声光器件的布拉格衍射原理完成调 Q 任务。声光调 Q 器件，由声光互作用介质(如熔融石英)和键合于其上的换能器所构成。换能器将高频信号转换为超声波。在激光腔内插入声光调 Q 器件，可以产生很高的衍射损耗，此时腔内具有很低的 Q 值，Q 开关处于关闭状态。当激光高能级积累大量粒子数时，撤除超声波，衍射效应即刻消失，损耗下降，Q 开光打开，激光巨脉冲遂即形成。声光调 Q 技术用于低增益的
14、激光器，可获得脉宽几十纳秒，功率几百千瓦的高频脉冲。但对高能量激光器的开关能力差，不宜用于高能调 Q 激光。2.2.2 被动调 QA、可饱和吸收染料调 Q利用可饱和吸收光纤实现被动调 Q 脉冲输出的原理与可饱和吸收染料的工作原理基本类似。当掺稀土元素的光纤未被完全泵浦，增益光纤没有完全饱和，掺稀土元素的光纤激光器中会出现所谓的自脉动现象，造成输出的光不稳定。此时的增益光纤可起到等效可饱和吸收体作用。图 1.6 为基于可饱和吸收光纤的调 Q 全光纤激光器的结构示意图，图中的 SA 为可饱和吸收光纤。在泵浦初期，输入功率较小，远离输入端的一段增益光纤因抽运不足不能实现粒子数反转，从而可作为可饱和吸
15、收体对激光产生可饱和自吸收，使激光器产生被动调 Q 脉冲输出。随着泵浦功率的提高，作为饱和吸收体的掺杂光纤逐渐饱和，激光器输出功率的脉动也将随之减小。当抽运功率继续增大到某一值时，掺杂光纤不再具有饱和吸收作用，激光器将输出稳定的连续光。 图 1 利用可饱和吸收光纤的全光纤调 Q 掺铒光纤激光器可用于实现光纤激光器自调 Q 的可饱和吸收光纤有掺铒光纤以及其它许多过渡金属离子掺杂光纤(如掺 Cr4+光纤等)，而铒光纤是最简单的一种可饱和吸收光纤。因其基于 Er 离子的独特性质：光纤中存在离子对和离子簇，可以使铒纤满足一定泵浦率和离子对浓度时，处于一种非稳态，也就是调 Q 脉冲输出状态。某些染料媒质
16、具有突变的吸收饱和特点，当波长处于其吸收峰附近入射光信号较弱时，染料媒质对入射光呈现出非常明显的吸收趋势(相当于处于“关闭”状态)；当入射光信号增强到一定程度时，染料媒质对入射光突然呈现出明显的吸收饱和趋势(相当于近似透明的“接通”状态)。利用某些染料的上述特点，可将其置于共振腔内起到调 Q 开关的作用。光泵脉冲开始后的一段时间，工作物质的初始受激发射信号较弱，染料开关处于关闭状态。当工作物质粒子数反转程度达到最大，受激发射光强增大到足以使染料开关处于吸收饱和状态(或称为“漂白”状态)，从而在腔内接通振荡回路并形成调 Q 激光输出。染料调 Q开关的优点是装置简单、成本低。不足之处是光化学稳定性
17、较差，调 Q 重复性精度不高。B、可饱和吸收体调 Q可饱和吸收体调 Q 是利用可饱和吸介质的非线性吸收特性，将其置于谐振腔内，通过控制腔内的吸收损耗来实现 Q 值的变化。早期，被用来实现被动调Q 的可饱和吸收体主要是有机染料，下面以它来说明可饱和调 Q 原理。可饱和吸收染料具有这样的性质：它是一种非线性吸收介质，即其吸收系数不是一个常数，在比较强光的作用下，其吸收系数随光强的增大而逐渐减小直至饱和，吸收系数可由下式表示： ,公式中 0是光强很小时 ( I 几乎为 0)时的吸sI10收系数；I 和 Is 分别为入射光强和饱和吸收光强，其大小与饱和染料的种类与浓度有关。由式(1.5) 可见，吸收系
18、数随光强的增加而减少，当 I 远大于 Is 时，吸收系数为 0，入射光几乎全部透过，即染料对于通过的激光束变为透明，染料饱和吸收体的透过率随光强的变化如图 1.7 所示。当把具有这种特性的染料置于激光谐振腔中，泵浦初期，腔内的自发荧光光强很弱，染料的吸收系数很大，光的透过率很低，谐振腔处于高损耗低 Q 值的状态，不能形成激光振荡，增益介质处于储能阶段。随着光泵的增强，腔内荧光强度逐渐增强，染料透过率增大。当染料吸收达到饱和值时，染料突然被“漂白”而变成对激光透明了，此时腔内损耗下降 Q 值猛增，激光振荡形成并输出巨脉冲。I /Is图 2 染料可饱和吸收体透过率随光强的变化曲线 染料可饱和吸收体
19、调 Q 器件虽然结构简单、方便实用，但是存在吸收带宽较窄、破坏阈值低、易老化、稳定性差等缺点，况且饱和吸收体染料有毒，所以人们使用的越来越少。随后，相继出现了各种各样的可饱和吸收体应用于激光器被动调 Q，包括固态色心晶体 (如 LiF:F2)、半导体可饱和吸收体 (Cr4+:YAG 晶体、 GaAs、 半 导 体 可 饱 和 吸 收 镜 (SESAM)、 单 壁 碳 纳 米 管(SWNT)、石墨烯(Graphene)等。固体色心晶体，与染料可饱和吸收体相比，光化学和热学性质较好，但其易褪色，寿命短，阈值高。上世纪 90 年代出现了半导体可饱和吸收体(Cr4+:YAG 晶体等)，其具有稳定性好、
20、饱和光强低、损伤阈值高、热导性好及无退化等优点，逐渐取代了有机染料和色心晶体。在其应用过程中，人们发现其恢复时间、调制深度等很难控制，制作工艺比较复杂，使用起来不是十分方便。此时，半导体可饱和吸收镜(SESAM)应运而生。SESAM 结构很简单，把吸收体和两个反射镜结合在一起就可构成，因此可通过改变 SESAM 中可饱和吸收体的厚度和两个反射镜的反射率，调节吸收体的调制深度以及反射镜的带宽的大小，所以 SESAM 已广泛应用于 1060 nm 和 1550 nm 两个波段的激光器中。然而 SESAM 具有制作工艺复杂、 生产成本高、 可饱和吸收带宽相对较窄等不足。碳纳米管 (CNT)问世后，为
21、光纤被动光纤激光器的发展提供了广阔的空间。自从 Kataura 等人观察到了单壁碳纳米管(SWNT)的吸收光谱以来，SWNT 的非线性光学性质引起了人们的极大关注。SWNT 可饱和吸收体材料具有许多优点：可饱和吸收恢复时间短、饱和光强低、价格低廉、损伤阈值高、偏振非相关性、化学稳定性、机械强度高、与光纤兼容(耦合损耗低) 等。但是制作 SWNT 可饱和吸收体时其直径的不可控性，使其对光的吸收与直径有关，导致可饱和吸收不明显等问题。最近，研究者们发现一种新型的可饱和吸收体材料石墨烯。石墨烯作为可饱和吸收体具有较宽的波长覆盖范围、较低的可饱和吸收阈值、超快的恢复时间和成本低等众多优点，逐渐成为目前
22、激光器研 究领域的热点课题。第三章 石墨烯基础理论3.1 石墨烯简介一直以来，石墨烯都是被科学家们认为是不会稳定存在的，只能成为一个假设性的结构。直到 2004 年，英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，成功地从石墨中提取出了石墨烯 6，证实了石墨烯可以单独存在，推翻了“完美二维晶体结构无法在非绝对零度下稳定存在 4”的论述。两人也因此获得了 2010 年诺贝尔物理学奖。图 3.1 石墨烯结构图图 3.2 石墨烯层不是完全平整如图 2.2 所示，石墨烯是指依靠 CC 共价键连接形成的只有一个 C 原子厚度的蜂窝状结构的石墨。石墨烯是一种六边形晶格组成的两维晶体结构。使用透镜
23、(TEM)、原子力显微镜 (AFM)研究表明,石墨烯层不是完全平整，如图 2.3所示，他们表面有几度的起伏，二维晶体结构稳定存在也许就是因为这些三维的褶皱。石墨烯的厚度为 0.35nm7，就算把二十片石墨烯薄膜叠加到一起也只有头发丝那么厚。图 3.3 石墨烯理想的石墨烯是一个二维的单晶材料，结构简单，但可以被认为是一种碳的同素异形体。理论上，石墨烯可以当成是很多石墨类材料之母。如图 2.4 所示，石墨烯可以被包裹成一个零维碳纳米材料 C60，也可以卷曲成一维碳纳米材料的单壁碳纳米管，还可以堆积成石墨。3.1.1 石墨烯特点优势石墨烯具有优异的力学和热学性能，是目前世上最薄强度最大最坚硬的材料，
24、其强度比世界上已知的最好钢铁高 100 倍，实验测得其杨氏模量约为 1000GP。它还是热的良导体，其室温热导约为 5300 W/mK，比碳纳米管高得多，因此对它在电子器件方面的应用极为有利。石墨烯具有零能带隙结构半金属特性，并与电子和空穴都呈线性能量色散关系。由于它这种特殊的能带结构，使得石墨烯具有目前最为出色的导电性能。石墨烯具有十分独特二维晶格结构，其电子在轨道中移动时，不易因为晶格缺陷或引入外来原子而发生散射，因此，石墨烯内部电子受到外部的干扰会非常小。研究表明：石墨烯中电子传导速率高达 ，其电子迁移率高 15000 sm5108，电子的运动速度达到了光速的三百分之一，远远超过了电子在
25、一般)/(2svcm导体中的运动速度，并在常温下观测到奇异的半整数量子霍尔效应。具有完美二维晶体结构的石墨烯所拥有的不仅仅是最高可达 10e6 cm2/Vs的载荷子迁移率，表面可以弯曲但却比钻石还要高的强度，和高达 5300 W/mK 的导热系数，其独特的光学性质也正在吸引着越来越多研究者的目光。石墨烯材料特有的光子和光电子学性质可以归纳为以下几点：1）石墨烯中的狄拉克电子在狄拉克点附近呈现线性能量-动量色散关系，这使得石墨烯对在紫外-可见-红外区域的超宽带光谱范围里任何频率的光子都具有共振的光学响应；2）单层石墨烯的线性光学吸收不依赖于光频率，它对任何波长的低强度光波都具有严格的 2.3%的
26、吸收率（ 为精细结构常数）且总吸收率正比于石墨烯层数，这也使得只有一个碳原子厚度的石墨烯单层也是肉眼可见的；3）超快的载流子-载流子和载流子-声子碰撞散射使得石墨烯具有超快的载流子弛豫动力学过程。在超短脉冲激发下，其带内热平衡弛豫时间约 100 飞秒，带间跃迁弛豫时间约几个皮秒；4）石墨烯具有优秀的非线性光学性质，在不同条件下，石墨烯材料拥有显著的非线性散射、双光子吸收、激发态吸收和饱和吸收性能，其非线性磁化率|(3)|可达 10e-7esu，也可产生二次谐波；5）氧化石墨烯在石墨烯 sp2 杂化碳原子二维网格基础上产生了 sp2 和 sp3杂化碳原子混合的结构，其中被分立的纳米尺度 sp2
27、杂化碳原子区域使得原本零带隙的石墨烯产生了一个带隙，带隙宽度决定于 sp2 区域的大小，形状及所占比例等因素。这个有限宽度的带隙让氧化石墨烯具有优良的可调谐光致发光和电致发光性质。这些特有的光学属性让石墨烯及其衍生材料在开发透明电极、光伏电池、发光器件、光电探测器、激光锁模器、光开关、激光防护设备、生物传感器等光电器件方面呈现出特别的优势和巨大的潜力。由上观之，石墨烯作为一种新材料具有一系列优良的性质，尤其是其电学性质有着其他材料无可比拟的优势，因此石墨烯作为新一代半导体材料，在光电子、信息、能源、材料和生物医药等领域具有重要的潜在研究价值和应用前景。图 3.4 石墨烯的应用3.3石墨烯的制备
28、石墨烯的发展前景也引起了国内外科学家对其制备方法的研究，现如今主要的石墨烯材料的制备方法有：机械剥离法、化学氧化法、化学气相沉积法、有机合成法和碳纳米管剥离法等。1.微机械剥离法2004年, Geim等人利用微机械剥离法首次成功地从高定向热裂解石墨上剥离出了单层石墨烯。Geim研究组利用这方法获得了准二维石墨烯并且观测到了石墨烯的形貌，研究的除了石墨烯二维晶体结构能够存在的原理 5。微机械剥离法虽然能够制备出高质量的石墨烯,但由于其低产量、高成本，不适用于工业化和规模化生产，只能用于实验室小规模的制备。2.化学气相沉积法化学气相沉淀是大规模制备石墨烯问题上的一大突破。化学气相沉淀法的反应物质必
29、须在气体状态才能发生反应并且在固态基体上凝固成固体，从而得到固体材料。Kong等利用化学气相沉积法成功制备了石墨烯，利用一个用镍做基片的管状沉积炉,首先向沉淀炉内输入含碳气体 ，气体在高温下能够分解成碳原子并且沉积在镍表面，从而形成石墨烯。利用化学刻蚀的方法使他们分离就得到了石墨烯薄膜。但是由于理想的基片材料单晶镍造价高，使得利用化学气相沉淀法制取石墨烯成本较高。3、外延生长法外延生长法是通过对单晶 SiC 进行加热使 Si 原子脱离，接着在富硅表面上制备出超薄的石墨膜。首先，对单晶 SiC 进行氧化刻蚀或氢气刻蚀处理，然后在超高真空环境中将其加热到约 1000以除去氧化物，这样就可以得到一个
30、相对平坦的表面。然后，将样品加热至 12501450，保持至少 1 分钟 - 20 分钟，SiC 表面形成一层薄膜石墨，必须加热到 1475或更高温度才能获得具有理想电学特性的石墨烯薄片，但该方法获得的石墨烯片层数不一致，电学性质较易被基底参杂影响。4、.氧化-还原法氧化-还原法容易实现而且价格低廉，是制取石墨烯的主要方法。且制备出的稳定的石墨烯悬浮液解决了石墨烯不易分散的问题。氧化 - 还原法首先将天然石墨和强氧化性物质与强酸进行反应生成氧化石墨，将氧化石墨用超声分散制取氧化石墨烯，使用还原剂去掉它表面上的一些含氧基团就能够制得石墨烯。氧化- 还原法比较简单且容易实现，自从其被提出后就成了实
31、验室制取石墨烯的主要方法，得到广大石墨烯研究者的关注。2.2.2石墨烯光纤激光器调Q机理我们知道Q 值的定义表达式如下： ,式中 0v是激光的中心频率，ltW02QtW和 l分别为谐振腔内激光储存的能量和每秒钟损耗的激光能量。假设用 表示光单程损耗率，那么光走一个单程损耗的能量为 。当用 tc、L 和 n 分别表示光速、腔长和介质折射率时，则光在谐振腔内传输一个单程所耗费的时间为 nL/c，因此光在谐振腔中每秒钟损耗的能量为 ，将nlcWt/其代入式Q表达式中可得到 Q 值的另一表达式为： l0v2Q由此式可以看出 Q 值与损耗成反比例关系。损耗越大， Q 值越小，而损耗越小，Q 值越大。因此
32、，可以通过调节谐振腔内损耗大小来改变谐振腔的 Q 值。所以调 Q 主要是通过在激光谐振腔内引入调 Q 器件，周期性改变腔内损耗来实现调 Q。而谐振腔的损耗一般包括反射损耗，吸收损耗，衍射损耗，散射损耗和透射损耗等。因此采用不同的方法控制腔内的损耗，就形成不同的调 Q 方法。为此我们所使用的石墨烯可饱和吸收特性来实现调 Q 是通过控制谐振腔吸收损耗达到调Q效果。第四章 掺饵光纤激光器1961 年，美国光学公司的 Snitzer 率先提出了将光纤结构应用于激光器和放大器的思想，随后他和 Koester 分别发表了关于多组分玻璃光纤中的光放大结果，并且用长度为 1 m 的掺 Nd 光纤在 1060
33、nm 处获得了高增益的有效输出，这是世界上第一次有关光纤激光器的报道1。在进行有关光纤激光器的初始研究时期，研究人员重点考虑半导体光源在光纤激光器中进行泵浦的可行性，而随着发展光纤激光器所必需的各种工艺技术的日渐趋于成熟，如低损耗的硅单模光纤以及半导体激光器等器件的应用，光纤激光器有了进一步的发展。1985 年，英国南安普顿大学用改进的化学气相沉积(MCVD)方法制作的单模光纤搭建了世界上第一台掺铒光纤激光器2，此后他们先后报道了光纤激光器在调 Q、锁模、单纵模输出以及光纤放大器方面的研究工作，为掺铒光纤激光器的研究开创了先河。1987 年，英国通信研究实验室报道了他们在增益和激发态吸收等研究
34、领域所做工作及其研究成果。他们用半导体激光器作为泵浦光源制成了光纤激光器和放大器3,4，这对于掺铒光纤激光器的研究和发展具有里程碑式的重要意义。随着光纤制造工艺的提高和半导体技术的进步，尤其是在掺铒光纤放大器(EDFA)被开发出来之后3,5，由于其不仅具有增益高、噪声低等优点，还具有工作频带宽、输出功率高以及泵浦效率高等特性，在系统应用中又有可忽略不计的信道间串扰、对偏振态不敏感、系统升级透明、对传输码率与格式及较低的插入损耗等优点，从而使掺铒光纤激光器在光通信系统中有了更为广泛的应用，为超高速、超大容量、超长距离的密集波分复用(WDM)技术和光孤子传输技术的发展提供了有利条件，同时也在超快现
35、象、光纤传感、惯性约束核聚变等方面有极大应用价值。另外，掺铒光纤同时具有增益、自相位调制和群速度色散效应，因此用掺铒光纤激光器产生超短脉冲也成为当下研究人员关注的重点，通常产生超短脉冲的方法有调 Q 和锁模两种方式。调 Q 脉冲宽度大约为 10-9 s。为了得到更窄的脉冲，可以利用锁模技术队激光光束进行特殊的调制，使光束中不同的振荡纵模具有确定的相位，从而使各个模式相干叠加得到超短脉冲。锁模激光脉冲的宽度可达 10-1110-14 s，相应的具有很高的峰值功率。自上世纪 90 年代起，锁模光纤激光器由于能够产生超短脉冲，在光通信系统以及光时分复用技术方面有着重要的应用，因此吸引了众多国内外的研究人员的关注。
