[论文解读] Atomic layer graphene as saturable absorber for ultrafast pulsed lasers

Qiaoliang Bao, Han Zhang+6 more|ArXiv.org|Oct 30, 2009

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 17被引用 34

一句话总结

该论文展示了原子层石墨烯作为锁模光纤激光器中的可饱和吸收体，实现了在通信波段的超短孤子脉冲输出，脉宽达756 fs。可饱和吸收源于零带隙石墨烯中的泡利阻塞效应，具有可调制的调制深度（6.2%至66.5%）和超快恢复时间，展现出低饱和强度和超宽带操作的优势。

ABSTRACT

The optical conductance of monolayer graphene is defined solely by the fine structure constant. The absorbance has been predicted to be independent of frequency. In principle, the interband optical absorption in zero-gap graphene could be saturated readily under strong excitation due to Pauli blocking. Here, we demonstrate the use of atomic layer graphene as saturable absorber in a mode-locked fiber laser for the generation of ultrashort soliton pulses (756 fs) at the telecommunication band. The modulation depth can be tuned in a wide range from 66.5% to 6.2% by varying the thickness of graphene. Our results suggest that ultrathin graphene films are potentially useful as optical elements in fiber lasers. Graphene as a laser mode locker can have many merits such as lower saturation intensity, ultrafast recovery time, tunable modulation depth and wideband tuneability.

研究动机与目标

• 探索单层石墨烯作为超快脉冲激光器中可饱和吸收体的可行性。
• 研究通过改变厚度调控石墨烯基可饱和吸收体调制深度的性能。
• 展示利用原子层石墨烯在通信波段实现超快脉冲生成。
• 评估石墨烯相较于传统可饱和吸收体在光纤激光器中的性能优势。

提出的方法

• 通过机械剥离法在熔融石英基底上制备原子层石墨烯。
• 将石墨烯层集成至光纤激光腔中作为可饱和吸收体元件。
• 利用零带隙石墨烯中的泡利阻塞效应，在强光激发下诱导可饱和吸收。
• 通过自相关测量与光谱分析测定脉冲宽度与调制深度。
• 通过控制石墨烯层数（从单层到多层）调节调制深度。
• 在1550 nm通信波段运行激光系统，以验证其实际适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 单层石墨烯能否在超快光纤激光器中有效发挥可饱和吸收体作用？
• RQ2 石墨烯可饱和吸收体的调制深度如何随层数变化？
• RQ3 使用石墨烯基锁模技术在光纤激光器中可实现的最短脉冲宽度是多少？
• RQ4 石墨烯的恢复时间与传统可饱和吸收体相比如何？
• RQ5 石墨烯的可饱和吸收特性在通信波段内可调谐范围有多大？

主要发现

• 成功在光纤激光器中利用原子层石墨烯作为可饱和吸收体，生成了756 fs的超短孤子脉冲。
• 通过调节石墨烯层数，可饱和吸收体的调制深度可在宽范围内调节——从6.2%至66.5%。
• 由于零带隙半金属中载流子动力学迅速，石墨烯表现出超快恢复时间。
• 石墨烯中的可饱和吸收由泡利阻塞机制主导，该机制在高强光激发下可产生强非线性光学响应。
• 单层石墨烯的光学电导率由精细结构常数决定，导致每层具有约2.3%的通用吸收率。
• 该系统表现出超宽带操作特性，适用于通信C波段，证实了石墨烯在超宽带超快激光应用中的潜力。