固体激光器的调Q锁模运转具有较高的峰值功率和脉冲能量，已应用于生物医疗、材料微加工、表面工程、太赫兹光学和激光雷达^[1-2]等重要领域。2 μm波段的激光处于水分子的吸收峰，其在人眼手术和激光测距等方面具有重要的应用价值^[3-4]。适用于2 μm波段的锁模技术主要包含主动锁模和被动锁模。主动锁模技术由于受限于光开关的速度导致难以获得更短量级的脉冲宽度。因此，一般采用被动锁模技术获得超短激光脉冲，该技术是借助可饱和吸收体来完成的，具有操作简易、成本低廉的优点。其中调Q锁模处于调Q运转到锁模运转的过渡状态，因输出脉冲具有大脉冲能量和高峰值功率特性在远程探测中具有特殊的应用价值。

半导体可饱和吸收镜(Semiconductor saturable absorber mirror, SESAM)^[5-6]为常用的锁模器件，但其造价较高，制作工艺较为复杂。因此，需要寻找基于新型材料的可饱和吸收体。石墨烯材料具有成本低廉、饱和强度较低和零带隙的特点，其中零带隙导致了其光谱对波长不敏感，适用于从可见光到中红外的激光工作^[7-9]。石墨烯材料在1 μm波段的激光中作为锁模启动元件被广泛使用。山东师范大学利用石墨烯材料分别在Yb:Sc₂SiO₅^[10]、Yb:Y₂SiO₅^[11]和Yb,Y:CaF₂^[12]激光器中得到了锁模运转。Xu等人在Nd:GdVO₄激光器中添加液相剥离法制备的石墨烯可饱和吸收镜，获得了输出平均功率为360 mW、脉冲宽度16 ps和单脉冲能量为8.4 nJ的激光^[13]。Zhao等人于erbium-doped光纤激光器中加入GO-SA，得到中心波长为1560.80 nm和脉冲宽度为2.5 ps的锁模激光运转^[14]。石墨烯材料在2 μm波段也得到关注。Ma等人在Tm:CLNGG晶体中实现729 fs和98.7 MHz的连续锁模脉冲激光输出^[15]；Max-Born研究所利用Tm:MgWO₄晶体得到最高功率39 mW和最窄脉冲宽度96 fs的激光输出^[16]。与石墨烯相比，氧化石墨烯能够在稀碱水和纯水中被分散出来，从而形成的胶状悬浮液较为稳定。这是因为它拥有良好的表面活性与润湿性能，并且其表面拥有丰富的亲水性酸性官能团^[17]。氧化石墨烯有着超快的恢复时间和宽带可饱和吸收特性，更稳定且易于制备。目前，在1 μm波段处的有关氧化石墨烯可饱和吸收体（Graphene oxide saturable absorbable, GO-SA）的研究报道较为集中。Zhu等人在Yb:Y₂SiO₅激光器中获得了763 fs的激光脉冲，在1059 nm波段的最大输出功率为700 mW^[18]。Zhang等人采用GO-SA在YVO₄/Nd:YVO₄/YVO₄激光器中实现了稳定的调Q锁模运转^[19]。但是在2 μm波段处有关GO-SA的应用较少。笔者所在课题组在Tm,Ho;LLF激光器中采用氧化石墨烯实现了低阈值的调Q锁模运转^[20]。

LuAG材料比常规的YAG材料更加的坚固，拥有更高的损伤阈值^[21]。因此，其在2 μm波段的激光中获得了广泛的关注。山东大学使用SESAM在Tm:LuAG激光器中获得了脉冲宽度分别为38 ps^[22]和13.6 ps^[23]的锁模激光输出。由于陶瓷激光材料生长周期较短、尺寸较大、掺杂浓度高和成本较低等特点，使其成为继晶体和玻璃材料之后又一个值得关注的激光增益介质。Yan等人在平凹腔型结构中，利用二极管泵浦Nd:LuAG陶瓷激光器获得最大输出功率为1.37 W的连续光^[24]。Zhou等人在Tm:LuAG陶瓷激光器中得到输出功率为2.64 W的连续光，并且使用Cr:ZnSe可饱和吸收体得到调Q运转^[25]；Wang等人在Tm:LuAG陶瓷激光器中加入SESAM获得脉冲宽度为2.7 ps和最大输出功率为232 mW的激光输出^[26]。

激光二极管具有结构紧凑、光束质量好和成本较低等优点^[27]。采用激光二极管作为泵浦源，首次利用GO作为可饱和吸收体实现了Tm: LuAG陶瓷激光器稳定的调Q锁模运转，在2024 nm波段得到最大输出功率为200 mW和重复频率为108.7 MHz的激光输出，Q包络中锁模脉冲调制深度接近于100%。

Tm:LuAG陶瓷激光器的调Q锁模实验装置如图1所示（实验装置图通过Solidworks软件绘制而成）。泵浦源为790 nm的LD，最高输出功率为30 W。实验中采用掺杂铥离子（Tm³⁺）浓度为6%以及尺寸为3 mm×2.8 mm×5 mm的Tm:LuAG陶瓷材料为增益介质。使用过程中需要沿着其布儒斯特角进行切割，并且对它的通光面进行抛光处理。为了降低Tm:LuAG陶瓷材料的热透镜效应，采用恒温水循环冷却系统冷却夹在紫铜热沉内的激光陶瓷介质，水的温度在11 ℃左右。LD泵浦的聚焦系统缩束比为1∶0.8，透过率为95%，工作距离为49.2 mm，外径大小为37.5 mm。激光谐振腔采用X型五镜腔，其中M1和M2分别是曲率半径为75 mm和100 mm的平凹镜。M1和M2对790 nm波长的抽运光具有高透性，对1800~2100 nm波段激光的反射率大于99.9%。M3为对1800~2050 nm波段激光高反的平凹镜，曲率半径为100 mm。其作用主要是聚焦激光脉冲到GO上启动锁模运转。M4为对1800~2050 nm波段反射率大于99.9%的平面高反镜。实验装置采用的输出镜透过率分别为3%、5%和9%。

图  1  实验装置原理图

Figure 1.  Experimental device schematic

按照上述实验装置图进行实验设计。连续光和调Q锁模输出功率随泵浦功率变化的关系如图2所示。选取透过率分别为3%、5%和9%的输出耦合镜，当腔内未加入氧化石墨烯可饱和吸收体时，实现连续光运转，出光阈值分别为716 mW，939 mW和1311 mW，对应的斜效率为4.63%，4.94%和4.35%；当泵浦功率为16 W时，最大输出功率为680 mW，714 mW和620 mW。为了获得最佳输出透过率，首先在理论上进行了模拟，其中谐振腔最佳透过率与泵浦功率之间的关系如公式（1）所示^[28-29]：

图  2  谐振腔最佳透过率随泵浦功率变化图

Figure 2.  Optimal cavity transmittance versus pump power

式中：$\sigma $为晶体发射截面；${\tau _f}$为发射寿命；${\lambda _P}$为泵浦光波长；${P_{in}}$为泵浦功率；${\alpha _p}$吸收系数；$L$为晶体长度；${\delta _O}$为腔内损耗；$\overline {{W_p}} $为平均泵浦光斑半径；${W_O}$为振荡光斑半径。通过模拟公式（1）得到图3的曲线图，从图中可以看出在泵浦功率为16 W时，谐振腔的最佳透过率T=0.045。因此，考虑到光学玻璃镀膜在加工中的实际情况，所以选取透过率为0.05的输出镜较为合适。

图  3  连续光和锁模输出功率随泵浦功率变化图

Figure 3.  The average output power of continuous wave and mode locking versus the pump power

将GO-SA加入激光腔中，选取透过率为3%的输出耦合镜，和连续光运转情况相比，它的出光阈值提高到1.68 W。当泵浦功率达到7.24 W时进入稳定调Q锁模运转，此时输出功率为68 mW,氧化石墨烯可饱和吸收体表面光斑半径约为160 μm, 计算可饱和吸收体表面功率密度约为25.94 μJ/cm²。继续增加泵浦功率，当泵浦功率达到16 W时，最大输出功率为160 mW，斜效率为1.04%。在5%输出耦合镜下的出光阈值功率为2.05 W，当泵浦功率达到8 W时，实现了稳定的调Q锁模运转，输出功率为104 mW，经过计算可饱和吸收体表面功率密度约为23.8 μJ/cm²,输出的最高功率为200 mW，斜效率为1.35%。而当输出镜为9%时腔内功率密度不足，无法实现调Q锁模。通过以上数据分析可知，当输出镜为5%时，拥有较高的输出功率与斜效率。因此，在调Q锁模运转中使用5%的输出镜，相信，通过不断优化激光腔体结构来获得较高功率的连续锁模运转。

实验的调Q锁模脉冲光谱通过（AvaSpec-NIR256-2.5 TEC）分析仪来获得。由图4可知，测量出来的脉冲信号的半高宽Δλ为11 nm，中心波长为2024 nm。

图  4  锁模光谱图

Figure 4.  The emission spectrum of the mode locking laser

图5为锁模脉冲序列图。实验使用数字示波器（RIGOL, DS4034）来测量调Q锁模脉冲序列。当扫描时间分别为2 ms、100 µs和10 ns时，重复频率为108.7 MHz。调Q锁模脉冲的调制深度接近100%。

由于调Q锁模脉冲无法通过自相关仪直接去测量，因此利用以下公式理论上对Q包络中的锁模脉冲宽度进行估算^[30]：

式中：${t_{\rm m}}$、${t_{\rm p}}$、${t_{\rm r}}$和${t_{\rm o}}$分别为实验中测量出来的锁模脉冲上升沿时间、光电二极管探测器的上升沿时间、锁模脉冲实际的上升沿时间以及数字示波器的上升沿时间。

根据公式：

式中：示波器的带宽${W_\rm{B}}$为200 MHz，根据公式（3）计算得到${t_{\rm o}}$为1 900 ps。实验中测得的${t_{\rm m}}$约为1 980 ps，${t_{\rm p}}$约为35 ps。将数据代入公式（2）可得锁模脉冲的实际上升沿时间${t_{\rm r}}$为556 ps，由于脉冲宽度约为${t_{\rm r}}$的1.25倍，所以实验中的调Q锁模脉冲宽度大约为695 ps。

图  5  锁模脉冲序列

Figure 5.  Mode-locked pulse trains

实验采用垂直生长法生长的氧化石墨烯作为可饱和吸收体。利用该吸收体，结合典型的“X”型五镜折叠腔，在Tm:LuAG陶瓷激光器首次实现了调Q锁模运转。选择5%的输出镜时，连续光最高输出功率为714 mW，斜效率为4.94%。将GO-SA加入腔内，激光进入稳定调Q锁模运转状态的阈值功率为8 W。增加泵浦功率达到16 W时，在2024 nm的中心波长处得到200 mW的最大输出功率以及1.35%的斜效率。重复频率和最大单脉冲能量分别为108.7 MHz和1.84 nJ。研究结果表明，氧化石墨烯可以作为2 μm固体激光器的被动调Q锁模器件。后期，将通过提高泵浦功率，改善可饱和吸收体的质量，优化谐振腔的参数，争取获得高功率的连续锁模运转。