激光二極管泵浦的鎖模激光器具有高峰值功率和超短脈沖的特點，已經被廣泛應用于激光加工，非線性光學頻率變換，激光通信，醫療等領域。傳統上，超短脈沖是采用半導體可飽和吸收鏡（ SESAM）鎖模的激光器來獲得。然而， SESAM 的制造需要昂貴和復雜的制造工藝，如金屬有機物化學氣相沉積（ MOCVD），或分子束外延(MBE)。此外， SESAM 可飽和吸收帶的寬度受腔內非線性特性和布喇格反射鏡反射率的限制，對激光的調制只對應單一的波長。后來，人們發現，穩定的鎖模光纖激光器和固態激光器可通過碳納米管（ CNTs）的調制來實現。通過調節碳納米管的管徑，可獲得 1–2μm 寬的可飽和吸收帶。然而，碳納米管粗糙表面以及內部纏繞的結構對入射光造成強烈
的散射，從而導致較高的插入損耗。因此，人們需要尋找一種新型的可飽和吸收材料，使其具有成本低，吸收帶寬， 低損耗的特點。
最近的研究表明，石墨烯可作為脈沖激光的調制元件。與以往的可飽和吸收體相比，石墨烯的吸收損耗較低，每一層石墨烯僅有 2.3 ％的吸收損耗。此外，石墨烯具有許多其它優點，如飽和光強度低，調制深度大，損傷閾值高，恢復時間快等特點。 更重要的是，由于石墨烯的零帶隙結構，可以實現全頻帶的調制，適用于工作在不同的波長的激光器。最近，工作在 1.0、1.5 μm附近的石墨烯鎖模光纖激光器已被證明。然而，鎖模光纖激光器的輸出功率較低，一般在幾十毫瓦的量級。為了獲得更高的輸出功率，人們對石墨烯鎖模的全固態的固體激光器進行了研究，實現了幾百毫瓦的功率輸出。然而，在這些工作中所使用的石墨烯是通過氧化還原方法得到，石墨烯飽和吸收體是通過幾微米到幾十微米的石墨烯薄片拼接而成的。石墨烯的的層數既不明確也不可控，這不利于鎖模固態激光器性能的提高。
科研工作者采用化學氣相沉積（ CVD）技術在銅箔上制備了高品質的單層石墨烯薄膜，將其轉移到單晶C面的石英基片上，制備了石墨烯飽和吸收體。由于生長的為單層石墨烯，可通過轉移次數精確控制石墨烯的層數。使用這些飽和吸收體，我們在Nd： YVO4激光器上實現了穩定的Q鎖模，在 6.0 W的泵浦功率下，得到了 1.6 W的平均輸出功率，實
現了瓦級的激光輸出。
石墨烯可飽和吸收機理
當強光穿過石墨稀時， 石墨稀對光的吸收不再是線性的， 而是非線性的依賴于光強,隨著光強的增加，石墨烯的吸收在經歷一段非線性上升后緩慢達到飽和，這種光吸收的現象稱為可飽和吸收。這個吸收過程可用圖1 來說明。如圖 1 (a)，最初時刻，價帶上的電子吸收了入射光子的能量躍遷到導帶。而后，載流子能量降低到平衡態 （圖 1 (b) 所
示）。電子是費米子, 遵循泡利不相容原理, 占據導帶上能量最低的狀態。同時，價帶的電子也將重新分布到最低能量狀態, 而空穴占據高能量的狀態。這個過程同時伴隨著電子?空穴復合和聲子散射。 如果光能量足夠強時,電子躍遷的速率大于帶間弛豫速率,電子吸收的光子能量對應的激發態以下的能態都被填滿, 帶間躍遷被阻斷, 這種泡利阻斷效應使石墨烯被漂白,使脈沖中能量較高的部分在漂白時間內無損耗通過。
圖1 石墨稀可飽和吸收過程（ a）受光激發電子的帶間躍遷（ b）載流子熱平衡過程（ c）帶間躍遷阻斷石墨烯被漂白
在上述電子被激發到導帶后的動力學過程中存在兩個超快的弛豫時間: 帶間躍遷弛豫時間和帶內載流子散射和復合弛豫時間。前者為 0.4～1.7 ps, 能夠起到啟動鎖模的作用，后者為 70～120 fs,可以有效壓縮脈寬，穩定鎖模。
