2 μm波段激光处于大气的窗口波段，该波段宽带锁模光谱覆盖了大气中的水分子、甲烷、二氧化碳分子的吸收峰，在大气监测、遥感、外科手术中具有特殊的应用价值^[1-2]。尤其是该波段高单脉冲能量的激光在非线性变换研究、X射线产生、飞秒激光同步泵浦、粒子加速、空间目标探测、超快微加工等多方面具有广阔的应用前景^[3-4]。目前高峰值功率、高单脉冲能量的全固态脉冲激光脉冲产生大都集中在1 μm掺镱和0.8 μm掺钛蓝宝石激光器，而工作在2 μm波段高单脉冲能量的全固态激光器未见报道。

目前，2 μm波段激光脉冲的产生主要采用被动锁模技术，其中最常见的饱和吸收体是半导体可饱合吸收镜(SESAM)^[4]新型二维材料^[5-6]。由于SESAM的制造工艺复杂、成本昂贵、带宽受限等问题，限制了它的应用范围。石墨烯材料是单一碳原子层，其一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构，自2004年被发现以来就受到了广泛的关注^[7]。石墨烯具有超强的硬度，良好的热导性，较高的光电转化率，以及优异的光学、电学、力学特性等众多优点^[8]。由于它是零带隙材料，其价带顶和导带低是相交的，在较宽波长范围内吸收率约为2.3%，理论上它可以吸收任何波段的光^[9]。目前，已经证实石墨烯具有从可见光到太赫兹波段的超宽吸收范围。不仅如此，石墨烯还具有超快的恢复时间和适度的调制深度，当入射光的强度超过某一临界值时，石墨烯对其的吸收会达到饱和，表明它是一种优良的可饱和吸收体，并利用它来实现激光的锁模运转。但石墨烯材料制备较为复杂，并且不溶于水和有机溶剂，因此在使用中受到限制。此后人们开始将目光转移至亲水性更好、性能更稳定的氧化石墨烯（Graphene Oxide, GO）。由于具有较低的饱和强度，其表面张力很低，这就导致其相比单壁碳纳米管具有更高的损伤阈值，适合应用于高功率锁模^[10]，目前已经被广泛应用于2 μm激光器中。2012年，上海交通大学在Tm:CLNGG激光器中利用石墨烯得到了729 fs^[11]的超短脉冲激光的输出。2015年，Ma等人在Tm:YAG陶瓷激光器中利用石墨烯材料作为锁模器件得到了2.8 ps和158 mW的锁模激光输出^[12]。2017年，Wang等人采用GO作为饱和吸收体在Tm:MgWO₄激光器中实现了锁模运转，在2 017 nm波段处的脉冲宽度短至96 fs^[13]。2019年，笔者课题组利用GO在Tm:LuAG激光器^[14]中实现了调Q锁模运转。

实验中选择的增益介质为Tm,Ho:LLF激光晶体，相对于其他掺铥类介质，Tm,Ho:LLF具有1.82~2.06 μm的可调谐光谱，而且相对于其他氟化物基质，Tm,Ho:LLF声子能量更低，吸收系数更小，并且具有较低的上变频损耗等优点，因此更适合低阈值和高效率运转^[15]。

文中报道了高单脉冲能量、低重复频率的Tm,Ho:LLF激光器，采用790 nm LD（Laser diode，LD）作为泵浦源。为了实现与LD泵浦光更好的匹配，采用折叠镜曲率半径R=300的X型谐振腔，利用GO可饱和吸收体实现了稳定的被动调Q锁模运转，激光输出的中心波长为1 895 nm，连续运转时激光器最大输出功率为1793 mW，调Q锁模运转时最大输出功率为1052 mW，调Q包络下的锁模重复频率为53.19 MHz，对应的平均单脉冲能量为19.77 nJ，调制深度接近于100%。

Tm,Ho:LLF被动调Q锁模激光器的实验装置如图1所示。抽运源为光纤耦合790 nm LD，最大输出功率为30 W，纤芯直径为105 μm，数值孔径（NA）为0.22，激光增益介质为Tm,Ho:LLF晶体，布儒斯特角切割，并对两个通光面进行抛光，其中Tm³⁺掺杂浓度为5 at.%，Ho³⁺掺杂浓度为0.5 at.%，晶体尺寸大小为3 mm×3 mm×8 mm。实验中为了降低激光运转时增益介质中的 “热透镜效应”，需对晶体进行制冷，用烟箔将其包裹，然后夹在紫铜热沉微通道冷却片内，最后使用恒温水循环系统（北京博医康，HX-1020）对紫铜晶体夹进行冷却，水温维持在11 ℃左右（控制精度±0.2 ℃）。

图  1  氧化石墨烯作为可饱和吸收体的Tm,Ho:LLF激光器实验装置

Figure 1.  Tm, Ho:LLF laser experimental device using graphene oxide as a saturable absorber

实验中采用类似X型腔结构，对应两臂长分别为1072 mm和1443 mm，总腔长为2 819 mm。L₁和L₂组成LD泵浦的聚焦系统，聚焦透镜L₁和L₂是扩束比为1∶1的焦距为75 mm的平凸透镜，其将泵浦光束聚焦到增益介质中。在激光谐振腔中M₁和M₂为曲率半径R=300 mm的平凹镜，镀膜对790 nm波段的抽运光高透，对1800~2100 nm波段的振荡光反射率大于99.9%。利用ABCD矩阵模拟激光腔内的振荡光斑大小，考虑到高功率泵浦时增益介质中的热透镜效应，模拟晶体中的束腰半径约为206 μm，根据匹配理论可知，当振荡光斑比泵浦光斑近似于2∶1时可以达到最优的模式匹配，因此，实验中采用折叠镜M₁和M₂的曲率半径为300 mm时可以获得更好的模式匹配。饱和吸收体采用和陕西师范大学王勇刚组联合研发的GO作为锁模启动元件，GO采用垂直生长法制备，为了在GO表面获得较小光斑启动锁模运转，M₃的曲率半径为300 mm，利用ABCD矩阵腔软件计算GO表面光斑尺寸约为145.2 μm。M₃表面光学镀膜对1800~2100 nm波长激光反射率大于99.9%。M₄是表面光学镀膜对1800~2050 nm波段反射率大于99.9%的平面高反镜。M₅为45°平面泵浦镜，其两面均有光学镀膜，一面对抽运光高透，即对790 nm波段的抽运光的透过率大于99.9%，另一面对振荡光高反，即对1800~2100 nm的振荡光反射率大于99.9%。OC为输出耦合镜（Output Coupler, OC），为了研究激光器的输出特性以及最佳透过率，实验中分别使用3%、5%和9%透过率的OC来进行对比分析。

按照上述Tm,Ho:LLF激光器实验装置进行设计并搭建光路，当腔内没有激光运转时，晶体对泵浦光的吸收效率约为33.7%，当有激光运转时，且氧化石墨烯没有插入谐振腔内，晶体的吸收效率约为59.48%。而在腔内插入可饱和吸收体时，晶体的吸收率略有变化，在透过率为3%的输出耦合镜下，晶体的吸收效率约为53.8%，输出耦合镜透过率为5%时，晶体吸收率约为53.6%。经过分析得知，这是由于腔内插入氧化石墨烯可饱和吸收体增加了腔内损耗，从而导致晶体的吸收效率降低。Tm,Ho:LLF激光器连续运转下输出功率与泵浦功率变化的关系如图2所示。当输出耦合镜的透过率分别为3%、5%和9%时，输出激光的阈值分别为2.3 W、2.4 W和2.6 W，倾斜效率分别为5.63%、9.08%和10.76%。当泵功率为20 W时，最大连续光输出功率为954 mW、1522 mW和1793 mW。

图  2  连续光输出功率随泵浦功率变化图

Figure 2.  Relationship between continuous optical output power and pump power

为了选择最佳输出镜透过率，进行了理论模拟。谐振腔最佳透过率与泵浦功率之间的关系如公式（1）所示：

式中：$\sigma $为晶体发射截面；${\tau _{\rm{f}}}$为发射寿命；${\lambda _{\rm p}}$为泵浦光波长；${P_{{\rm{in}}}}$为泵浦功率；${\alpha _{\rm p}}$为吸收系数；$L$为晶体长度；${\delta _0}$为腔内损耗；$W_{\rm p}$为平均泵浦光斑半径；$W_{\rm o}$为振荡光斑半径。

通过MATLAB软件模拟计算公式（1）得到的曲线如图3所示。可以看出，在泵浦功率为20 W时，谐振腔的最佳透过率T=0.0896，所以选取透过率为0.09的输出镜较为合适，同时在连续光实验下，透过率为9%的OC输出功率最高，理论与实验结果相符合。因此，下面主要在透过率为9%的输出耦合镜下进行研究调Q以及调Q锁模实验，这样就可以在进行调Q锁模实验时得到较高的调Q锁模激光。

图  3  谐振腔最佳透过率随泵浦功率变化图

Figure 3.  Relationship between the best transmittance of the resonant cavity and the pump power

当在腔内插入GO-SA后，透过率为9%的输出耦合镜下的出光阈值增加到2.5 W，当泵浦光功率高于5 W时，激光进入调Q运转状态，且在示波器中没有观察到寄生脉冲。随着泵浦功率的提高，调Q包络的脉冲宽度变得越来越窄，脉冲重复频率变得越来越高，调Q脉冲重复频率和脉冲宽度随泵浦功率的变化如图4所示。可以看出，当抽运功率从5 W增加到7.25 W时，调Q脉冲重复频率从60 kHz增加到139 kHz，相应地脉冲宽度从16.3 μs减小到5.5 μs。

图  4  调Q的脉冲重复频率和脉冲持续时间与吸收的泵浦功率的变化关系

Figure 4.  Q-switched pulse repetition rate and pulse duration versus the absorbed pump power

继续增加泵浦光，腔内功率密度逐渐增大，并且仔细调节氧化石墨烯可饱和吸收体到M3的距离，随后激光器进入调稳定的Q锁模运转。当泵浦功率达到20 W时，在透过率为9%的输出镜下锁模运转的最高输出功率为1052 mW，斜效率为5.1%，且没有发现GO表面发生损伤。输出功率与泵浦功率关系如图5所示。

图  5  加入GO-SA后Tm,Ho:LLF激光器输出功率随泵浦功率变化

Figure 5.  After adding GO-SA, Tm, Ho: LLF laser output power changes with pump power

实验采用透过率为9%的输出耦合镜，当泵浦功率为10 W、输出功率为433 mW时，通过使用光谱分析仪（AvaSpec-NIR 256-2.5 TEC）获得调Q锁模脉冲光谱，如图6所示。输出脉冲信号的中心波长为1 895 nm，光谱的半高宽$\Delta {\lambda _{}}$为15 nm。随着功率的提升以及脉冲宽度的变窄，并没有观察到激光器的输出光谱发生明显漂移，其保持在1 895 nm。

图  6  锁模光谱图

Figure 6.  Mode-locked spectrogram

图7所示是由快速光电二极管（ET-500）连接的数字示波器（RIGOL, DS4034）测量出的脉冲序列，获得该图的实验条件与图6相同。扫描时间分别为1 ms/div（上）和10 ns/div（下）时所获得调Q锁模脉冲序列，根据扫描时间为1 ms/div的脉冲示波图可以看出其为调Q包络，由扫描时间为10 ns/div 的脉冲序列图可以看出两个脉冲序列之间的间隔为10 ns，其为调Q包络下的锁模脉冲序列，经计算可知其与实验中所用的2819 mm腔长相匹配。调Q包络下锁模脉冲的重复频率为53.19 MHz, 分析调Q包络脉冲的锁模脉冲，调制深度接近100%。实验中激光器稳定运行，调Q锁模运转的最大单脉冲能量为19.77 nJ。

图  7  锁模脉冲序列

Figure 7.  Mode-locked pulse trains

调Q脉冲无法用自相关仪测量，但是根据理论可以估算脉冲宽度，根据公式（2）（其中t_m为被测脉冲序列的上升沿时间，t_r为实际锁模脉冲序列上升沿时间，t_p为光电探测器上升沿时间，t_o为示波器的上升沿时间），实验中实际所测锁模脉冲的上升沿时间约为1 910 ps，光电探测器上升沿时间约为35 ps。再由公式（3）（其中W_B是实验中所用示波器带宽为200 MHz）估算实验的t_o约为1750 ps, 联合公式（2）和（3）可以计算实验中所测脉冲的上升沿约为764 ps，又由于锁模脉冲的实际宽度是上升沿的1.25倍，因此实际锁模脉冲约为955 ps，在后期的工作中，将通过提高抽运功率获得更优质氧化石墨烯可饱和吸收体和降低吸收体的损耗，进一步降低锁模脉冲宽度，提升输出功率^[16-17]。

综上所述，采用与LD泵浦光斑相匹配的大腔模“X”型五镜腔设计，在Tm,Ho:LLF激光器中加入GO可饱和吸收体实现稳定调Q锁模运转。在透过率为9%的输出耦合镜下，连续光最高输出功率为1793 mW，斜率效率为10.76%。在谐振腔内加入GO可饱和吸收体后，当泵浦光功率大于7.26 W时，激光进入稳定的调Q锁模状态。当泵功率达到20 W时，稳定调Q锁模运转下最高输出功率达到1 052 mW，斜效率为6.42%，调Q包络的锁模脉冲调制深度约为100%。调Q锁模下的典型中心波长为1 895 nm，重复频率为53.19 MHz，最大平均单脉冲能量为19.77 nJ。据笔者所知这是2 μm波段锁模的最高单脉冲能量记录。结果表明氧化石墨烯在高功率高单脉冲能量中红外波段激光器锁模中具有潜在的应用优势。