石墨烯可为光谱学和生物医学应用提供超快激光脉冲

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石墨烯旗舰研究人员开发出一种光纤激光器，其发射的脉冲持续时间仅相当于所用光的几个波长。这种基于石墨烯的有史以来最快的器件将非常适用于超快光谱学和外科激光器，可避免对活组织造成热损伤。先进的光子学应用，如高速光谱学，需要超短脉冲，以捕获所研究材料中的瞬态物理现象。实际上，这意味着飞秒（10-15s）范围内的激光脉冲。这种应用的一个例子是光化学弛豫过程的泵浦 - 探针光谱。

剑桥石墨烯中心的光子学团队负责人，以及基于石墨烯的激光研究项目的负责人丹尼尔波帕说：“当设计光线以超短脉冲传播时，重要的是要了解它的波动特性。”“对于光线如同在拉伸的绳索上的机械波一样传播，最短的脉冲由单波振荡定义。

时间分辨率受所用激光脉冲长度的限制。脉冲越短，光谱分辨率越高，由所采用的特定光频率的周期长度限定的最高可能分辨率。在可见光和近红外区域中，大多数超快激光器工作，最终脉冲持续时间在2到5飞秒之间。较短的脉冲需要较短的波长。

除了理论上的限制之外，可以使用称为被动锁模的技术从激光腔产生短至两个周期的脉冲。钛蓝宝石激光器在世界各地的光子学实验室中很常见，可以在800纳米的波长下产生5飞秒长度的脉冲，相当于不到两个周期。但是，这些脉冲不可调。通过利用光学参量放大器中的非线性效应可以实现可调节的几周期脉冲，但是实际的布置往往是复杂且昂贵的。

光纤激光器是超短脉冲发生的有吸引力的平台，因为它们具有简单，紧凑和经济的设计，高效的散热和无需校准的操作，不需要庞大的光学设置。对于基于光纤的振荡器，可以通过被动锁模生成超短脉冲，这需要一个称为可饱和吸收器的非线性元件。石墨烯具有制造这种可饱和吸收体的理想物理性质。

之前已经展示过基于石墨烯的锁模激光器，但是这种新颖的二维材料在紧凑的全光纤设置中的应用标志着Popa及其同事的工作。最近在“应用物理快报”杂志上发表的一篇论文概述了他们的进步，其中第一作者是博士生David Purdie。

对于光纤激光器，通常通过孤子模式锁定产生飞秒脉冲。孤子是一种自增强孤立波，当它沿着诸如光纤的波导以恒定速度行进时，其保持其形状而没有失真。孤子是在波导介质中相互抵消的色散和非线性效应的结果，从而允许稳定的脉冲包络传播。

全光纤格式在成本，紧凑性和坚固性方面是优选的，并且这里的策略是使用基于正和负色散光纤的交替段的腔，其导致脉冲的周期性变宽和压缩，关键是当其持续时间最小时从这样的腔中提取脉冲，并且峰值功率因此最大。由于提取脉冲的高峰值功率，可以通过外部光纤长度内的非线性光学效应产生新的频率分量，并且这些在进一步减小脉冲长度时是关键的。这是基于频率和时域之间的波数学关系，称为傅里叶变换。为了实现物理形式的这种转换，研究人员设计了一条色散延迟线，将新创建的频率成分折叠成单脉冲。

石墨烯旗舰研究人员的设置仅基于标准电信设备，具有基于石墨烯和聚乙烯醇（PVA）复合材料的可饱和吸收剂，通过低成本溶液处理制造，石墨烯片通过超声波搅拌从块状石墨中剥离。解决方案。蒸发留下50微米厚的石墨烯-PVA复合材料，然后将其夹在光纤连接器之间，通过这种设置，Purdie和他的同事能够产生29个飞秒脉冲，这相当于在1.5微米波长下少于6个周期。

补偿高阶非线性和色散效应应该导致更短的脉冲长度，并且使用更高功率的二极管或双泵浦配置可以产生更高的带宽脉冲以及增加的输出功率。最后，光子晶体光纤的添加原则上可以允许在其他波长处产生类似的短激光脉冲，这个项目真正值得注意的是，石墨烯与现成光纤的结合非常紧凑，”Popa说。“通过这种方式，我们可以产生仅持续几个周期的光脉冲，或十亿分之一秒的十亿分之一。
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