前言：

自上世紀六十年代雷射問世後，脈衝光纖雷射技術就被廣泛應用於多個領域，材料加工，雷射製造，雷達，傳感和通信等多個科技領域非常依賴該技術，而調Q和鎖模又是生產脈衝雷射的兩種主要手段。

但由於這兩種方法的穩定性和時頻靈活性一直得不到保障，所以找到一種新的脈衝雷射成為了前沿科學的研究熱點，因為脈衝雷射具有峰值功率高和能量密度高的特點，近年來生物醫學和智能領域也把目光投向該技術。

隨著越來越多的科研人員開始涉足這一技術領域，以新型納米材料作為可飽和吸收體的被動型脈衝雷射引起了物理和化學以及材料領域科研人員的極大關注。

儘管目前基於新型的納米材料在脈衝光纖雷射中的應用取得了巨大的進展，但其容易與空氣和水分等反應從而引起性能退化，而且在與雷射的相互作用過程中，也會發生熱損傷現象，這些都會影響輸出脈衝的特性和長時間穩定性，也制約了其進一步的發展。

綜上所述，找到一種穩定的納米材料實現高功率高效率的超短脈衝成為了當前急需解決的問題之一。

光纖脈衝雷射的三種生產技術

一、調Q技術

調Q是指雷射調Q技術，是一種雷射類型，雷射調Q技術是將雷射能量壓縮到寬度極窄的脈衝中，從而使雷射光源的峰值功率提高几個數量級的一種技術，雷射調Q技術的基礎是一種特殊的光學元件快速腔內光開關，一般稱為雷射調Q開關或簡稱為Q開關。雷射調Q技術的目的是為了壓縮脈衝寬度和提高峰值功率。

赫爾伍茲於1961年首次提出這種概念，在本文論述的技術中調Q技術指的是通過改變雷射諧振腔的Q值，也就是學術上稱呼的損耗因子，從而獲得窄脈寬且高峰值功率脈衝輸出，如果按照輸出方式來分類該技術可分為主動調Q和被動調Q兩種。

主動調Q可以通過外部驅動實現脈衝輸出，比較常見的有電光調Q和聲光調Q兩種，主動調Q技術的優勢在於具有可控的重複頻率，而且通過改變外加調製信號可以實現對重複頻率和脈衝能量的調節，並且主動調Q可以使得雷射器滿足長時間工作且穩定性良好。

但這種方式美中不足之處在於容易損傷閥值低，而且損耗大，價格昂貴，光纖兼容性差，同時要求條件較高的工作環境，比如在高溫環境或在電磁場下脈衝的峰值功率會明顯下降。

而利用可飽和吸收體的可飽和吸收器件可以實現被動調Q，這種方式相比於主動調Q更具有雷射腔靈活緊湊的優點，穩定性也比主動調Q要高，常見的被動調Q技術分為：自調Q，受激拉曼散射自調Q,受激布里淵散射自調Q和半導體可飽和吸收鏡調Q以及過度金屬離子摻雜晶體調Q,最後一種就是本文論述的納米材料調Q。

二、鎖模技術

鎖模是另外一種生產脈衝輸出的方式，這種技術的原理是在不同模式的雷射共振中加入穩定的相位關係，並且通過人為干預使得雷射腔內的縱模在時間上保持同步，這樣產生的雷射被稱為鎖相雷射，也稱鎖模雷射，因為這種雷射的頻率間保持在一定數值上，所以可以實現極窄脈寬的雷射輸出，但這些模式之間的干涉會使得雷射產生一些列脈衝，這些脈衝可能會有極短的持續時間。

相比於調Q技術，這種方式可以實現更短的脈衝輸出，與調Q技術類似的是鎖模技術也分為主動鎖模和被動鎖模兩種方式。

其中主動鎖模指的是周期性調製諧振腔內的參量，比較常見有兩種，一是振幅調製，二是相位調製，1990年科研人員首次利用電光調製器實現了鎖模光纖雷射脈衝，這種方式就是主動鎖模，該技術的好處在於雷射器具有可重複頻率調製的特點，從而實現高重頻的輸出，不過主動鎖模對硬體設施的要求極高，如果調製器的響應速度偏慢，那麼脈衝寬度的極限就是皮秒，且這種方式極易受到環境因素的影響，不利於實現全光纖結構。

通常來說，被動鎖模是利用可飽和吸收特性實現的，目前主流的可飽和吸收體材料和基於光纖非線性效應的都是等效可飽和吸收體，相較於主動鎖模技術，這種技術不需要外加調製器件，系統也比較緊湊，常用的實現被動鎖模的方法有基於非線性偏振旋轉效應和真實的可飽和吸收體材料，實際應用中也有將以上幾種方法結合起來實現混合鎖模使得脈衝的質量可以進一步改善。

三、基於可飽和吸收體

可飽和吸收體泛指各類具有可飽和吸收特性的納米材料，這種材料的透過率與入射光強相關，比較常見的納米材料吸收體包括半導體，碳納米管和石墨烯等，然而隨著科研人員關注，近年來新型的納米材料也逐漸增多，比如過度金屬硫化和拓撲絕緣體等等，均在不同波段實現了不同形式的脈衝輸出。

一般來說這種材料可以採用多種方法使可飽和吸收體同光纖結合起來，比如透射型材料可以被放置在光纖線頭中間，通過注入光纖微流通道或者光子晶體光纖之中，然後塗覆在光纖表面上，這樣材料就可以很容易沉積在光纖端面，從而集成成為雷射器。

兩種納米晶少層陣列

一、基於二元納米晶的脈衝雷射

二元納米晶體材料也是近年來受到廣泛關注的材料之一，由於它們非線性效應大、損傷閾值高且光學響應優良，加上合適的帶隙特性，科研人員已將其應用於光電器件領域和超快雷射領域以及太赫茲等領域。

作為一種極具應用前景的納米材料，二元納米晶體在室溫下間接帶隙的數據非常可觀，這使得晶體對近紅外光學響應的敏感度大於可見波長，哪怕是在下一代柔性平面設備應用中也具有巨大潛力。

然而，這種材料的非線性飽和吸收特性目前尚不明確，但可以預期的是，由於材料具備合適的帶隙，與其它已報導的飽和吸收體相比，二元納米材料具有可與之相比擬的光學性能。

基於之前科研人員對該材料的研究顯示，這種納米材料的功率相關透過率技術以及飽和吸收特性完全可應用於光纖雷射技術領域，由於光源是自製的摻鐿光纖鎖模雷射器，所以通過調節偏振控制器，可以觀察到穩定的鎖模脈衝。

與其它基於不同飽和吸收體的光纖脈衝雷射相比，該材料的閾值功率相對較高，目前主流的說法是由於高閾值功率導致器件帶來的較大的腔內損耗。

這種材料除了可以產生基頻鎖模脈衝之外，還可以通過適當調節偏振控制器，從而實現對諧波鎖模脈衝的觀察，因為諧波脈衝的產生是輸出能量和雷射增益之間平衡的結果，所以較低功率的泵浦源和低的光學轉換效率無法實現實現更高階次的諧波脈衝，但是，通過採用功率更高的泵浦源和優化腔內損耗，有望獲得更高階的鎖模雷射。

二、基於黑鱗納米晶的脈衝雷射

黑鱗作為一種性能優良的納米晶少層陣列材料，近年來逐步被科研人員用作可飽和吸收體來產生脈衝雷射，在後石墨烯時代，這種新穎的納米材料因其獨特的特性而被廣大科研人員所關注，並且成為了脈衝雷射技術的不二材料選擇。

黑磷具有較大的三階非線性，帶隙大小與材料層數相關實現了從可見光到中紅外波段的飽和吸收，除此之外黑磷還顯示出非同尋常的各向異性電學光學和振動態，然而，儘管黑鱗具備很多優點，但是黑鱗原子層最外面卻存在孤對電子，這會導致黑鱗極易與氧氣水分發生化學反應，並因此引起退化狀態，經過長期研究科研人員發現，可以通過在黑鱗表面增加保護層來隔離水分和氧氣，而且通過使用聚合物封裝也實現了這一目的。

在黑鱗納米製備上，一般使用的方法分為機械剝離和超聲輔助剝離以及化學分層剝離三種，通常機械剝離方法的產率較低，也極大的限制了黑鱗的應用，而超聲輔助剝離產量較大，但由於存在超聲破碎且黑鱗尺寸偏薄，容易造成損傷，至於電化學分層剝離，在電化學剝離過程中，電解電壓下降產生的質子會進一步通過還原反應過程在黑磷表面產生氫氣泡。

在電化學製備過程中殘留的有機化合物附著在黑磷納米片表面， 這一超薄塗層可防止黑磷樣品與氧氣、水等反應，從而保證了樣品在表徵的幾個小時內形態未發生任何明顯的變化。

結論

脈衝動力學是脈衝光纖雷射研究的重要內容，需要建立廣泛適用的動力學模型，但是動力學模型僅僅適用於特殊的暗脈衝雷射腔中，特別是孤子動力學模型有待後續進一步深入研究。

不同帶隙納米晶少層陣列為實現脈衝雷射提供了不同的可飽和吸收體選擇，但是材料的選擇缺少系統研究且處於初步探索中，脈衝特性還可以進一步優化，儘管當前已經實現了諧波輸出， 但階數較低，可通過優化材料的調製深度和飽和強度以及雷射腔內的損耗等實現更高階諧波輸出，還可以通過更換更大帶寬的濾波器等，嘗試實現鎖模脈衝輸出，實現基於這兩種可飽和吸收體的更多形式的脈衝輸出，並在其他波段的光學特性也有待進一步探索。

後續可在穩定的基礎上進一步開展功率放大實驗，實現高功率輸出，為基於納米晶少層陣列的脈衝光纖雷射器的工業應用進行前期探索，特別是高階模中由於模式轉換器的引入帶來了更大的插損，調諧範圍進一步減小，實現中心波長在更大的範圍內可調節，對其應用方面更加深入的研究。