基于銻烯納米片的被動調Q激光器

洪 弘,周 貌,陳鴻玲,張沛雄,李 真,尹 浩,陳振強

(1.廣東省晶體與激光技術工程研究中心，廣州 510632； 2.暨南大學理工學院光電工程系，廣州 510632)

0 引 言

自石墨烯被成功剝離后，世界上掀起一股研究二維材料晶體的熱潮[1]。過渡金屬硫化物(TMDCs)[2-5]、金屬鹵化物[6-8]、金屬氧化物[9-12]和黑磷(BP)[13-14]等二維材料逐漸被科學家們所研究，構成了豐富的二維材料家族。其中黑磷由于高載流子遷移率和獨特的可調諧帶隙引起了研究人員的廣泛關注，但易氧化特性在很大程度上限制了其應用[15]。近幾年，除石墨烯以外的其他單原子層單質材料(Xenes)如鍺烯、砷烯、銻烯、鉍烯、碲烯[16-20]等被廣泛地進行研究。這種單原子層單質材料的表面原子幾乎完全裸露，相比于其他材料，具有更高的原子利用率，且可以通過厚度和摻雜控制，使得其在電子學、光子學，和加工領域具有很多富有想象力的潛在應用。其中，位于V族中的單族元素銻，由第一性原理計算預測銻烯具有強的穩定性和優異的光電性能[21]。單層銻烯為間接帶隙半導體且只需要加一點應變就可以誘導成直接帶隙半導體，形成0～2.28 eV范圍內的寬帶隙調諧特性，滿足大部分光電子器件的需求，且其具有高載流子遷移率、良好的長期穩定性和顯著的非線性光學性質[22-23]，表明單質銻具有豐富的潛在應用場景。

脈沖激光在醫學治療、光譜分析、科學研究等方面具有重要的應用前景[24-26]。然而，當前能夠滿足應用需求的光開關器件種類有限，且復雜的制造工藝、高成本和窄帶寬的缺點也限制了脈沖激光的進一步應用。基于可飽和吸收體(SA)的固體激光器由于其成本低、結構緊湊、簡單等優點，在被動調Q和鎖模方面一直有著廣泛的應用，在通信、生物學、材料學、醫用等領域發揮著重要作用[27-30]。目前，基于銻烯納米片作為可飽和吸收體的946 nm、1 064 nm和1.5 μm等波長的被動調Q激光器均有報道[31-32]，但1.3 μm波長的被動調Q激光仍尚未報道。

本文基于液相剝離法，結合超聲剝離之前充分的預研磨處理，設計了一種預研磨的液相剝離法，制備出的銻烯樣品用作可飽和吸收體。對制備出的銻烯樣品的特性進行了系統表征，結合b切的Nd∶GYAP(Nd∶Gd0.1Y0.9AlO3)作為激光介質的激光器，首次實現了1.3 μm波長的被動調Q激光，在最大吸收泵浦功率為3.07 W時，獲得424 kHz重復頻率和1.14 W峰值功率的脈沖激光輸出，對應脈沖寬度為589 ns。

1 銻烯的制備與表征

1.1 樣品制備

本文采用改進后的預研磨液相剝離法，成功地在K9玻璃襯底上制備了超薄層銻烯納米片可飽和吸收體。如圖1所示，與之前報道的制備方法相比，本文在對樣品進行超聲剝落之前，先對樣品進行充分地預研磨處理，從而使整個液相剝離過程更加完善和有效。首先，將原始銻粉(阿拉丁，質量分數99.99%)放入瑪瑙研缽中，同時加入2 mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)輔助30 min研磨，預研磨產生的沿層表面的剪切力有利于形成表面光滑、大而薄的銻板。然后，將混合物分散在純NMP中并攪拌形成懸浮液，同時添加適量的表面活性劑(油酸，OA)，通過20 h不間斷的超聲處理，使得懸浮液中的銻板上的銻烯分層剝落。溶液經過超聲、離心后，其上清液中含有小層數的銻烯。為了制備均勻的二維銻烯晶體，將獲得的上清液滴到K9玻璃襯底上，用旋涂機使其均勻鋪展，最后在恒溫60 ℃的烘箱中干燥24 h。

圖1 銻烯納米片的制備過程Fig.1 Fabrication process for antimonene nanosheets

1.2 樣品形貌與基本性質表征

拉曼光譜是表征二維材料的一種有效方法，它可以提供材料振動和旋轉模式的細節。如圖2(a)所示，通過532 nm激光源激發的拉曼光譜儀，進一步測量了銻烯的拉曼光譜，以表征其物質成分與晶體結構。圖中觀察到大約在110.4 cm-1和148.4 cm-1處有兩個主峰，對應于大塊銻的Eg和A1g一階拉曼模式，與其他文獻匹配良好[33-34]，結合X射線衍射(XRD)圖譜，可證明產品是銻烯。為了對樣品形貌進行直接觀測，利用場發射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)對制備的銻烯可飽和吸收體進行了表征，從圖2(c)可以看出，銻烯納米片呈現表面光滑的片狀形貌，層間微觀結構通過范德華力堆疊在一起。此外，使用原子力顯微鏡(AFM)觀察銻烯的表面結構，如圖2(d)所示，圖中所畫出的白線輪廓高度由圖2(e)中的曲線表示，可以看出，所得銻烯納米片的厚度在12～35 nm之間。最后，作為進一步光學實驗的基礎，用UV-Vis-NIR分光光度計(UV-3150，日本島津)測量了銻烯納米片在800～1 600 nm波長范圍內的線性光透射曲線，可以看出其透射曲線相對平坦。作為參考的K9玻璃片的透射光譜顯示出其在1 341 nm處的透射比為92.238%，而在1 341 nm處沉積有銻烯納米片的K9玻璃襯底的透射比為90.705%。考慮到襯底的損耗，計算出銻烯納米片的線性光學損耗約為1.533%。

圖2 (a)用532 nm激發的銻烯拉曼光譜;(b)銻烯納米片的XRD圖譜;(c)比例尺為500 nm的銻烯FE-SEM照片(d)銻烯納米片的AFM照片;(e)沿(d)中白線的相應高度剖面; (f)線性透過率Fig.2 (a)The typical Raman spectra of antimonene; (b)XRD image of antimonene nanosheets; (c) FE-SEM image of antimonene with a scale of 200 nm; (d) AFM image of antimonene nanosheets; (e) corresponding height profile along the white line in (d); (f) linear optical transmission

2 實驗裝置

如圖3所示，將制備的銻烯可飽和吸收體和利用提拉法生長的Nd∶GYAP晶體組合，共同搭建一個調Q激光器。激光器的泵浦源采用發射波長為808 nm，纖芯直徑為100 μm，數值孔徑為0.22的光纖耦合半導體激光器；增益介質采用Nd3+摻雜濃度(原子數分數)為1%，尺寸為4 mm×4 mm×5 mm的Nd∶GYAP激光晶體，對泵浦光的吸收效率為70%。對曲率半徑為100 mm的輸入鏡M1進行鍍膜，使其對808 nm的光具有高透射率和1.3 μm的光具有高反射率。輸出耦合器M2是一個平面鏡，對1.3 μm的光透射率為5%。泵浦光束通過光學成像系統(1∶2成像模塊)聚焦后耦合到光斑半徑為100 μm的Nd∶GYAP激光晶體中。激光晶體沿b軸切割和拋光，同時為了有效降低熱透鏡效應，將激光晶體包裹于銦箔中，并在17 ℃下放置在帶有循環冷卻水的銅塊中進行散熱。輸入輸出鏡均為進行了鍍膜處理的反射鏡，且激光諧振腔長為25 mm。將作為可飽和吸收體的附著銻烯納米片的K9襯底插入輸出鏡附近，在輸出耦合器的后端放置一個1 000 nm長波通濾波器(Thorlabs，FEL 1000)，以阻擋泵浦光。為分析輸出激光特性, 使用了安捷倫數字示波器(DSO90604A，6 GHz)、快速InGaAs光電探測器(Thorlabs，DET08C/M)、光譜分析儀(Zolix，Omni-λ300)。

圖3 被動調Q Nd∶GYAP激光器實驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the experimental setup of the passively Q-switched Nd∶GYAP laser

3 結果與討論

3.1 連續與調Q激光功率特性

在沒有將銻烯樣品加入諧振腔前，激光器實現連續波激光輸出，其輸出功率如圖4所示，可以看出，連續激光的閾值吸收泵浦功率為0.82 W，當吸收泵浦功率為3.07 W時，連續激光最大輸出功率為466 mW，對應效率為20.1%。將銻烯可飽和吸收體插入諧振腔后，與連續激光器相比，腔內損耗增大，導致激光器閾值增大，激光器效率降低，為12.5%，且最大平均輸出功率下降為284 mW。

圖4 不同工作狀態下Nd∶GYAP激光器的平均輸出功率Fig.4 Average output power of Nd∶GYAP laser in different operation regimes

圖5 (a)脈沖寬度、重復頻率與吸收泵功率的關系；(b)峰值功率和脈沖能量與吸收泵功率的關系；(c)Nd∶GYAP激光器在調Q模式下的激光發射光譜；(d)銻烯可飽和吸收體調Q Nd∶GYAP激光器的單脈沖及其所在脈沖序列Fig.5 (a) Pulse width and repetition rate versus absorbed pump power; (b) peak power and pulse energy versus absorbed pump power; (c) laser emission spectra of Nd∶GYAP laser in Q-switched regimes; (d) single pulse and its pulse sequence from the antimonene-SA Q-switched Nd∶GYAP laser

3.2 調Q激光脈沖特性

本文中對該調Q激光器的激光脈沖特性也有詳細研究，圖5(a)所示為激光脈沖寬度、重復率隨泵浦功率變化的關系。從圖中可以看出，當吸收泵浦功率從0.823 W增加到3.07 W時，脈沖寬度從1 395 ns單調下降到589 ns，相應的重復頻率從61 kHz增加到424 kHz。圖5(b)為計算的峰值功率、單脈沖能量隨泵浦功率變化的關系，可以看出，在吸收泵浦功率為3.07 W的情況下，最大峰值功率為1.14 W，最大單脈沖能量為669.43 nJ。圖5(c)所示為調Q模式下的激光光譜圖，其中心發射波長為1 341.2 nm。通過圖5(d)中的脈沖序列，可以看出所獲得的脈沖激光較為穩定。這也表明所制備的銻烯納米片具有飽和吸收特性，可以作為1.3 μm激光器的調Q器件。

4 結 論

綜上所述，采用預研磨液相剝離法，成功地制備了銻烯納米片，并將其涂覆在K9玻璃基底上作為可飽和吸收體。首次展示了帶有銻烯納米片可飽和吸收體的1.3 μm被動調Q激光器。在最大吸收泵浦功率為3.07 W，對應于424 kHz的重復頻率下，獲得了589 ns的最短脈沖寬度，峰值功率為1.14 W。實驗結果表明，銻烯納米片制造簡單、價格低廉，且具有在近紅外區域作為全固態調Q激光器的飽和吸收體的潛力。