研究人员已开发了光纤激光器，其发射脉冲的持续长度相当于几个光的波长。这个有史以来最快的基于石墨烯的最快的设备，对于超快光谱和避免活组织热损伤的手术激光技术是理想的。

能产生周期量级超短脉冲的全光纤激光器示意图。263飞秒的激光脉冲来自Seed Oscillator(上)并使用石墨烯基饱和吸收体锁模技术生成。这些脉冲通过Compressor连通(下)，使持续时间减少到29飞秒。

(图片来源:剑桥石墨烯中心Daniel Popa)

研究人员已开发了光纤激光器，其发射脉冲的持续长度相当于几个光的波长。这个有史以来最快的基于石墨烯的设备，对于超快光谱和避免活组织热损伤手术激光技术是理想的。

超快并超短

先进光子高级的光子学应用，如高速光谱，需要超短脉冲捕获被研究材料瞬时的物理现象。在实践中，那意味着激光脉冲在飞秒(10 - 15s)范围。该应用的一个例子是光化学弛豫过程的抽运-探测光谱。

“当调整光以超短脉冲传播时，重要的是理解波的本质，”剑桥石墨烯中心光电集团主管兼石墨烯激光研究项目负责人Daniel Popa说。“光像机械波在延伸线上传播一样，最短的脉冲被定义为单波振荡。”

时间分辨率受使用激光脉冲的长度限制。脉冲越短，光谱分辨率越高，最高可能分辨率由采用的特定光频率的循环时间定义。大部分超快速激光运行的可见光和近红外区域，最终持续时间在2到5飞秒之间。越短持续时间需要越短的波长。

抛开理论极限，短至两个周期的脉冲可通过激光腔体产生，利用被称为被动锁模的技术。常见于世界各地光子实验室的掺钛蓝宝石激光器，5飞秒持续时间脉冲可由800纳米波长产生，对应不到两个周期。这些脉冲是不可协调的，然而。可协调的周期量级超短脉冲可以通过光学参量放大器的非线性效应获得，但实际上往往是复杂和昂贵的。

光纤激光器是超短脉冲具有吸引力的生成平台，由于其简单、紧凑和具有成本效益的设计，它们可高效散热及免对比操作，不需要庞大的光学装置。利用纤维基振荡器，超短脉冲可通过被动锁模模式生成，该模式需要一个被称为饱和吸收体的非线性组件。石墨烯因其理想的物理性质，可被做成这样的饱和吸收体。

石墨烯基全光纤激光生产周期量级光脉冲

石墨烯基锁模激光器之前已被证实，但以一种紧凑全纤维设置，使用这种新二维材料。Popa及其同事评论这项工作。最近，他们的创新成果发表在《应用物理快报》的论文中，第一作者为David Purdie博士。

利用光纤激光器，飞秒脉冲通常通过孤子锁模产生。孤子是一种自强化的孤立波，当它以恒定的速度沿着光学纤维波导传播时，保持它的形状不会变形。孤子是色散效应和非线性效应的结果，这些效应使其波导介质中相互抵消，从而允许一个稳定的脉冲包络进行传播。

全纤维模式在成本，紧凑性和稳定性方面都是更好的，这里的策略是使用基于正面和负面分散纤维的交变段，纤维导致周期性脉冲的扩张和压缩。

当它的持续时间为最小值且峰值功率为最大值时，关键是要从这样一个腔体中提取脉冲。由于提取脉冲的峰值功率高，新的频率成分在外部纤维内可以通过非线性光学效应生成，对于进一步降低脉冲长度是至关重要的。这是基于波频率和时间域之间被称为傅里叶变换的数学关系。为了解这种物质形态的转换，研究人员研制出一种色散延迟线，将新生成的频率组分调整为一个单脉冲。

尖端石墨烯研究人员的实验设置是只基于标准电信设备，饱和吸收体基于石墨烯和聚乙烯醇(PVA)的复合材料，聚乙烯醇通过低成本的溶液处理获得，石墨烯片层通过溶液的超声搅拌从石墨剥落。蒸发留下50 微米厚的石墨烯-PVA复合材料，被夹在纤维连接器中。

利用这个实验设置，Purdie和他的同事们能够产生29飞秒脉冲，对应着小于6周期的1.5微米波长。

补偿高阶非线性和色散效应该导致更短的脉冲长度，和更高功率二极管的使用，或双泵设置，可能导致更高带宽的脉冲以及提高的脉冲输出功率。最后，光子晶体纤维的加入原则上考虑到其他波长短激光脉冲的生成。

“关于这个项目真正值得注意的是容易地以一种高度紧凑的形式结合石墨烯和现成的光学纤维，”Popa说。“这样一来，我们可以生成只有几个周期或千万亿分之一秒的光脉冲。”

新材料在线编译整理——翻译：Grubby     校正：摩天轮