金納米可飽和吸收體被動調Q研究進展

文/鄒國梁

（山東建筑大學理學院 山東省濟南市 250101）

在過去幾十年的科技發展長河中，激光技術和計算機技術、半導體技術、原子能技術一同被稱為最重要的四大發明。從愛因斯坦受激輻射理論開啟的先河，到十九世紀六十年代的第一臺紅寶石激光器問世，再到現在激光器在通信、軍事、航天、醫學和工業材料加工等領域大展身手，激光器的研究與發展同社會的進步緊密的結合在一起。從各國家科技發展的項目中也不難看出，激光器已受到各個國家的極大重視。

1 被動調Q技術

激光技術作為激光器發展的核心部分，一開始便受到各國科研工作人員的高度重視，其中調Q是實現脈沖激光的重要技術。調Q的原理是使用對光的透過率能夠發生變化的器件去調節諧振腔內的損耗，實現對粒子反轉數的貯存和釋放。當粒子反轉數達到較高程度時降低該器件對光的損耗，從而產生脈寬短、能量高的脈沖。而調Q技術根據它外部驅動源的不同又分為主動與被動調Q技術。盡管主動調Q易于控制激光器的脈沖重復頻率或脈沖持續時間，但作為腔中調Q開關有著制作工藝復雜，靈活性差的缺陷。在原則上，具有基態和激發態能帶結構的材料中可以觀察到飽和吸收現象。飽和吸收體便是根據泡利阻塞原理工作的被動調制裝置，它描述了由光強度引起的吸收變化。與主動調Q相比，被動調Q通過借助可飽和吸收體（SA）來實現Q調制，具有更高的性價比和易實現性。

2 傳統可飽和吸收體介紹

作為被動調Q激光器的關鍵光學元件，SA材料的發展直接影響到脈沖激光器的質量。幾十年來，各種摻雜晶體和不同價帶及導帶的半導體均被用作可飽和吸收體的基礎材料，如Cr4+、V3+、Co3+離子摻雜晶體和半導體可飽和吸收鏡（SESAM）等。然而，這些材料的調制范圍受到其光學特性的限制，Cr4+：YAG在900-1200nm的波長范圍內擁有良好的可飽和吸收性能，因此只被應用于1μm左右波段；V:YAG局限于1.3μm、1.4μm的波段激光器中；1996年Keller等用將SESAM應用于被動調Q激光器，后來則更多地是用在鎖模技術中。隨著發展，研究人員又開始對具有可調諧非線性吸收和寬帶非線性光學響應等新特性的SA展開研究[1]。2002年，碳納米管（CNT）因其半導體能帶結構和低成本大規模生產的可能性而被提出作為替代物[2]。2009年，另一種碳基納米材料石墨烯被發現具有有效的飽和吸收特性[3]。最近，拓撲絕緣體（TI）、過渡金屬二羥基化合物（TMD）和黑磷（BP）也被認為是有效的飽和吸收材料。

3 金納米材料

納米金材料是指直徑介于1-100nm微小金顆粒的統稱，將金鹽通過還原后形成的納米金顆粒溶液也被人稱為膠體金或金溶膠。納米金穩定性較好、擁有小尺寸效應、表面效應、光學效應以及獨特的生物親和性，在工業加工、醫藥生產、生物化學分析、食品安全檢測等領域具有廣泛的應用。

據調查研究發現，時至今日針對納米金材料的制備和它在不同領域的實踐應用，研究者也得到有一定的實驗結果。王飛等實現了金納米顆粒的有序組裝，被成功表面組裝的金顆粒樣品其吸收峰顯示出大幅度的紅移，將已有的金顆粒的適用維度進行了擴展[4]。譚信輝和其他相關人士發現了制備大面積表面金屬光柵的途徑，而且實驗得到具有一定耦合效率的表面等離子激元耦合光柵[5]。

4 金納米粒子可飽和吸收體研究概況

金納米粒子的應用是由于金納米粒子的優異物理性質，其主要來自表面等離子體共振（SPR）。SPR是一種與金屬粒子表面的電子等離子體集體振蕩有關的光學現象，具有兩個重要的性質。首先，納米結構中的光濃度導致了線性和非線性光學相互作用的極大增強。其次，金納米粒子的恢復時間通常在幾皮秒的快速時間尺度內，這是電子-聲子和聲子-聲子相互作用過程的結果。金屬納米粒子這種在光學頻率上的強增強SPR讓它們具有了優異的性能，使其可作為可見光的散射體和吸收體，它們可能是一個理想的候選可見光波長調Q開關或鎖模器。

近年來，金納米粒子因其在光動力治療、生物傳感和近場超分辨成像等方面的應用而備受關注，金納米粒子的非線性光學性質也因此得到了廣泛的研究。在貴金屬中，電子在導帶中的相干集體振蕩將引起較大的表面電場，當它們與共振光輻射相互作用時，可大大增強金納米粒子（GNPs）的輻射特性。Joanna等[6]報道了金納米棒在水溶液中的三階非線性光學性質。Ji等[7]用離散偶極子近似模型計算金納米結構的非線性吸收。Lin[8]導出了金納米棒表面等離子體共振圖。Li等[9]報道了由排列的金納米棒引起的宏觀薄膜中的各向異性和增強的非線性吸收。Lamarre等[10]測量了金納米棒在二氧化硅基質中的各向異性非線性光學吸收系數。其中金納米粒子由于具有大的三階非線性、表面等離子體共振（SPR）引起的寬帶吸收和很短的皮秒響應時間，因此被認為是構建全光纖調Q或鎖模激光器最合適的SA。另外，與碳納米管和石墨烯相比，由于其非線性吸收與三階非線性系數成正比，用GNPs作為SA也很容易獲得自啟動調Q或鎖模激光器。

5 金納米棒可飽和吸收體被動調Q激光器

與GNPs相比，金納米棒（GNRs）的結構是非球面對稱的，由此產生的SPR具有各向異性。因此GNRs有兩個SPR吸收帶。一個是橫向SPR吸收，來自垂直于桿軸向的電子共振。另一種是沿桿軸向產生電子共振的縱向SPR吸收。與橫向SPR吸收相比，縱向SPR吸收可以通過改變GNRs的寬高比在寬范圍內調諧。因此，利用GNRs作為SAs可以構造寬波長范圍的調Q激光器。

2013年，Kang等[11]以GNRs為SA，設計了一種全光纖被動調Q摻鉺光纖激光器，在980nm激光二極管泵浦的摻鉺光纖激光器（EDFL）腔中插入SA，在閾值泵浦功率為27mW時獲得穩定的被動調Q，在1560nm時獲得4.8μs的脈沖寬度，在275mW的泵浦功率下獲得39.9 kHz的脈沖重復率。

2015年，Huang等[12]在調Q Nd:YAG激光器中制備了表面等離子體共振峰為1063.8nm的GNRs，并將其作為SA進行了實驗研究。在脈沖重復率20kHz時獲得的最大脈沖能量為19μJ。表明了在全固態激光器中使用GNRs產生高能脈沖的可行性。同年，Joonhoi Koo等[13]用將金納米棒（GNRs）/PVA復合沉積側拋光纖維作為一種高效的可飽和吸收材料，用于全光纖化、高能調Q光纖激光器。他們制備的可飽和吸收體在1549.8nm波長處的調制深度約為7.5%。并證實在泵浦功率為229mW的光纖布拉格光柵法布里-珀羅腔中，能夠產生單脈沖能量為2.56μJ的穩定調Q脈沖輸出。

2017年，Feng等[14]通過吸收峰波長為1080nm，調制深度約9%的GNRs，研究了調Q Nd:GAGG激光器在1061和1106nm下的性能。相應的最短脈沖寬度是250和480ns。進一步表明，GNR-SA是一種很有前途的納秒體激光器可飽和吸收體。

2019年，Luo等[15]報道了一種利用大長寬比金納米棒（LARGNRs）作為可飽和吸收體（SA）的可調諧被動調Q光纖激光器。用2.87μm超快脈沖對相應的非線性吸收進行了表征，調制深度為8.89%。將該材料引入可調諧Ho3+/Pr3+共摻ZBLAN光纖激光器中，獲得了波長在2.83-2.88μm范圍內的穩定調Q脈沖。當泵浦功率為307.2mW時，相應最大輸出功率為30.8mW，重復頻率為78.12 kHz，最短脈沖寬度為2.18μs，最大脈沖能量為0.48μJ。這表明LAR-GNRs是一種適用于中紅外波段的多用途寬帶SA材料。