石墨烯可為光譜學(xué)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供超快激光脈沖

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石墨烯旗艦研究人員開(kāi)發(fā)出一種光纖激光器，其發(fā)射的脈沖持續(xù)時(shí)間僅相當(dāng)于所用光的幾個(gè)波長(zhǎng)。這種基于石墨烯的有史以來(lái)最快的器件將非常適用于超快光譜學(xué)和外科激光器，可避免對(duì)活組織造成熱損傷。先進(jìn)的光子學(xué)應(yīng)用，如高速光譜學(xué)，需要超短脈沖，以捕獲所研究材料中的瞬態(tài)物理現(xiàn)象。實(shí)際上，這意味著飛秒（10-15s）范圍內(nèi)的激光脈沖。這種應(yīng)用的一個(gè)例子是光化學(xué)弛豫過(guò)程的泵浦 - 探針光譜。

劍橋石墨烯中心的光子學(xué)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，以及基于石墨烯的激光研究項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人丹尼爾波帕說(shuō)：“當(dāng)設(shè)計(jì)光線以超短脈沖傳播時(shí)，重要的是要了解它的波動(dòng)特性?！薄皩?duì)于光線如同在拉伸的繩索上的機(jī)械波一樣傳播，最短的脈沖由單波振蕩定義。

時(shí)間分辨率受所用激光脈沖長(zhǎng)度的限制。脈沖越短，光譜分辨率越高，由所采用的特定光頻率的周期長(zhǎng)度限定的最高可能分辨率。在可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域中，大多數(shù)超快激光器工作，最終脈沖持續(xù)時(shí)間在2到5飛秒之間。較短的脈沖需要較短的波長(zhǎng)。

除了理論上的限制之外，可以使用稱(chēng)為被動(dòng)鎖模的技術(shù)從激光腔產(chǎn)生短至兩個(gè)周期的脈沖。鈦藍(lán)寶石激光器在世界各地的光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室中很常見(jiàn)，可以在800納米的波長(zhǎng)下產(chǎn)生5飛秒長(zhǎng)度的脈沖，相當(dāng)于不到兩個(gè)周期。但是，這些脈沖不可調(diào)。通過(guò)利用光學(xué)參量放大器中的非線性效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)的幾周期脈沖，但是實(shí)際的布置往往是復(fù)雜且昂貴的。

光纖激光器是超短脈沖發(fā)生的有吸引力的平臺(tái)，因?yàn)樗鼈兙哂泻?jiǎn)單，緊湊和經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)，高效的散熱和無(wú)需校準(zhǔn)的操作，不需要龐大的光學(xué)設(shè)置。對(duì)于基于光纖的振蕩器，可以通過(guò)被動(dòng)鎖模生成超短脈沖，這需要一個(gè)稱(chēng)為可飽和吸收器的非線性元件。石墨烯具有制造這種可飽和吸收體的理想物理性質(zhì)。

之前已經(jīng)展示過(guò)基于石墨烯的鎖模激光器，但是這種新穎的二維材料在緊湊的全光纖設(shè)置中的應(yīng)用標(biāo)志著Popa及其同事的工作。最近在“應(yīng)用物理快報(bào)”雜志上發(fā)表的一篇論文概述了他們的進(jìn)步，其中第一作者是博士生David Purdie。

對(duì)于光纖激光器，通常通過(guò)孤子模式鎖定產(chǎn)生飛秒脈沖。孤子是一種自增強(qiáng)孤立波，當(dāng)它沿著諸如光纖的波導(dǎo)以恒定速度行進(jìn)時(shí)，其保持其形狀而沒(méi)有失真。孤子是在波導(dǎo)介質(zhì)中相互抵消的色散和非線性效應(yīng)的結(jié)果，從而允許穩(wěn)定的脈沖包絡(luò)傳播。

全光纖格式在成本，緊湊性和堅(jiān)固性方面是優(yōu)選的，并且這里的策略是使用基于正和負(fù)色散光纖的交替段的腔，其導(dǎo)致脈沖的周期性變寬和壓縮，關(guān)鍵是當(dāng)其持續(xù)時(shí)間最小時(shí)從這樣的腔中提取脈沖，并且峰值功率因此最大。由于提取脈沖的高峰值功率，可以通過(guò)外部光纖長(zhǎng)度內(nèi)的非線性光學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生新的頻率分量，并且這些在進(jìn)一步減小脈沖長(zhǎng)度時(shí)是關(guān)鍵的。這是基于頻率和時(shí)域之間的波數(shù)學(xué)關(guān)系，稱(chēng)為傅里葉變換。為了實(shí)現(xiàn)物理形式的這種轉(zhuǎn)換，研究人員設(shè)計(jì)了一條色散延遲線，將新創(chuàng)建的頻率成分折疊成單脈沖。

石墨烯旗艦研究人員的設(shè)置僅基于標(biāo)準(zhǔn)電信設(shè)備，具有基于石墨烯和聚乙烯醇（PVA）復(fù)合材料的可飽和吸收劑，通過(guò)低成本溶液處理制造，石墨烯片通過(guò)超聲波攪拌從塊狀石墨中剝離。解決方案。蒸發(fā)留下50微米厚的石墨烯-PVA復(fù)合材料，然后將其夾在光纖連接器之間，通過(guò)這種設(shè)置，Purdie和他的同事能夠產(chǎn)生29個(gè)飛秒脈沖，這相當(dāng)于在1.5微米波長(zhǎng)下少于6個(gè)周期。

補(bǔ)償高階非線性和色散效應(yīng)應(yīng)該導(dǎo)致更短的脈沖長(zhǎng)度，并且使用更高功率的二極管或雙泵浦配置可以產(chǎn)生更高的帶寬脈沖以及增加的輸出功率。最后，光子晶體光纖的添加原則上可以允許在其他波長(zhǎng)處產(chǎn)生類(lèi)似的短激光脈沖，這個(gè)項(xiàng)目真正值得注意的是，石墨烯與現(xiàn)成光纖的結(jié)合非常緊湊，”P(pán)opa說(shuō)。“通過(guò)這種方式，我們可以產(chǎn)生僅持續(xù)幾個(gè)周期的光脈沖，或十億分之一秒的十億分之一。
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