光纤激光器与其他激光器相比，具有效率高、稳定性好、体积小和光束质量好等优点，广泛应用于材料加工、光纤通信、大气光学、激光医疗、军事等多个领域。尤其是脉冲激光器已经成为激光制造和激光通信的关键设备。

Cr-YAG与半导体饱和吸收镜是备受青睐的饱和吸收体，但是Cr-YAG 吸收带宽( 0.8 ～1.2微米) 有限，且与光纤耦合性很差，不能完全满足光纤激光器的要求。而石墨烯与氧化石墨烯具有完美的光学特性，如吸收强度大、工作波段更宽(可见光到中红外) 、响应时间超快(100飞秒) 、损伤阈值高，而且制作简单、价格低廉、与光纤耦合性好，是被动调Q光纤激光器的理想材料。

石墨烯饱和吸收特性

石墨烯的结构特殊，它是一种具有零带隙能带的半导体材料。石墨烯的能级结构在零带隙能带的两端是对称分布的。当输入的光波强度超过阈值时，这独特的吸收性质会开始变得饱和。这种非线性光学行为称为可饱和吸收，阈值称为饱和流畅性。给予强烈的可见光或近红外线激发，因为石墨烯的整体光波吸收和零能隙性质，石墨烯很容易就变得饱和，所以石墨烯可以用于光纤激光器的锁模运作。图中所示的为石墨烯的能级结构。

单层石墨烯的能级结构

调Q开关的制备

　　根据石墨烯特殊的饱和吸收性质，可将其制成调Q开关，大致可分为如下6种石墨烯饱和吸收体。

透射式结构

透射式结构被动调Q 饱和吸收体。利用石墨烯和大分子材料混合而成的复合材料薄膜直接夹在光纤连接器之间构成透射式结构。[1]采用此种办法制备的石墨烯调Q 开关，光纤耦合的损耗较小，基本可以实现全光纤结构，且此方法是目前最有效而且使用最多的。

内镶嵌结构

内镶嵌型结构是通过将石墨烯注入到一根晶体光纤中。[2]这种方法制备的饱和吸收体结构简单紧凑，引入的损耗较少，基本可以实现光纤激光器的全光纤结构。

耦合结构

耦合结构利用光倏逝波与石墨烯的相互作用制作饱和吸收体，由于仅部分光与石墨烯相互作用，因而损伤阈值高。但其也基本可以实现光纤激光器的全光纤结构。[3]

端面结构

端面结构是通过将石墨烯沉积或者转移到宽度反射镜上，构成反射式饱和吸收体。将此饱和吸收体作为一个谐振腔的腔镜，实现被动调Q。[4]这种方法制作比较简单，但不是全光纤结构，结构比较复杂，且耦合效率比较低。

两种腔型结构的石墨烯被动调 Q光纤激光器

线形结构石墨烯被动调 Q光纤激光器

图3-1-1 线形结构纤芯泵浦被动调Q纳秒脉冲光纤激光器结构示意图

2008 年 8 月，中国电子科技大学的张谦述[5]等人报道了基于 SBS 效应的自调 Q 光纤激光器，在单模光纤 1.5m，泵浦功率45mw条件下，获得了脉宽26ns，平均输出功率7.35mw的脉冲输出。该种方法主要利用光纤中的受激布里渊散射(SBS)相位共轭效应进行自调Q，采用线形腔结构，单模泵浦，虽然得到的脉宽较窄，但是采用此种方式被动调Q得到的脉宽很不稳定，随机性很大。

环形结构石墨烯被动调 Q光纤激光器

图3-1-2 环形结构包层泵浦被动调Q光纤激光器结构示意图

2011 年 9 月，厦门大学的 Zhengqian Luo、Zhiping Cai 和 Lujian Chen等人报道了环结构石墨烯光纤激光器。[6]他们分别在 1μm 和 1.5μm 波段实现了石墨烯调Q:在 1μm波段得到了稳定的石墨烯调Q多波长可调谐掺镱光纤激光器，最窄脉宽为3μs，重复频率从 39.8kHz到56.2kHz可调谐，最大单脉冲能量10.3nJ，相应的最大平均输出功率为 0.58mw。在1.5μm波段得到了稳定的石墨烯调Q多波长可调谐掺铒光纤激光器，最窄脉宽约2.5μs,重复频率从 2.8kHz到63.0kHz可调谐，最大单脉冲能量72.5nJ,相应的最大平均输出功率4.57mw。