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《湖南大学》 2015年
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基于二维纳米材料的光纤激光器研究

王庆凯  
【摘要】:光纤激光器主要通过调Q技术和锁模技术来实现激光脉冲输出。在光纤激光器内使用可饱和吸收体,对激光谐振腔内的光束进行调制,就有可能实现被动调Q和被动锁模脉冲输出。因此,这就对可饱和吸收体提出了要求,可饱和吸收体本身需要具有宽的工作带宽、快的响应速度和低的损耗。此外,为了能够获得高能量的脉冲输出,可饱和吸收体的调制深度以及损伤阈值也是需要考虑的因素。半导体可饱和吸收镜是目前应用最广泛的可饱和吸收体,但是由于其制备工艺复杂,价格昂贵,工作带宽较窄,限制了应用。随着材料技术的发展,碳纳米管和石墨烯已经成功制备并应用于光纤激光器,表现出优异的性能。不过,碳纳米管的工作波段对管径和手性要求比较苛刻,这使得高效的适合波段的可饱和吸收体比较难以制备。石墨烯可饱和吸收体具有宽带工作、低损耗,响应快等优点,满足近红外波段激光器的应用需求。但是,石墨烯材料本身零带隙的电子结构,较低的调制深度等,都限制了其在高能量激光器中的应用。因此,科学研究人员继续尝试寻找具有宽带非线性吸收、超快响应时间、低损耗、调制深度大、高损伤阈值、低成本等优点的新型可饱和吸收体材料。作为一种新型的二维纳米材料,拓扑绝缘体材料是一种新型的量子态物质。不同于传统意义上的绝缘体和金属,拓扑绝缘体的体材料呈现绝缘态,而其表面或者边缘却呈现金属态。此外,二维纳米材料过渡金属硫化物优异的非线性光学特性也引起了科研人员的广泛关注。本文基于两种典型的二维纳米材料,拓扑绝缘体和硫化钼,系统研究了拓扑绝缘体和硫化钼的制备、转移及其在调Q和锁模光纤激光器中的应用。(1)为了搭建光纤激光器系统,实现被动调Q和锁模脉冲输出,首先制备高质量的可饱和吸收体材料。使用溶剂热方法,制备了二维的拓扑绝缘体碲化铋纳米片。碲化铋纳米片粒径非常均匀,大小基本一致,几乎所有的纳米片都呈现六边形的形状。颗粒尺寸大小均匀,表面比较平整,厚度在10nm左右,宽度在500nm-800nm之间。(2)使用制备的二维碲化铋纳米片,制备用于光纤激光器中的可饱和吸收体器件,并实现被动调Q和锁模脉冲输出。使用自组装技术,在光纤头上形成自组装薄膜,并按照要求对膜层的厚度进行了调控。不同厚度的可饱和吸收体,具有不同的非线性光学吸收特性。原始较厚的碲化铋自组装层饱和吸收体的调制深度为20.56%,饱和强度为17.46MW/cm2。当将碲化铋自组装层减薄后,在其他测试条件不变的情况下,调制深度变为12.93%,饱和强度变为11.28MW/cm2。使用不同厚度的可饱和吸收体器件,在同一个光纤激光器谐振腔内分别实现调Q和锁模脉冲输出。当拓扑绝缘体膜层较厚时,得到单脉冲能量达到278.8n J的调Q脉冲输出。当拓扑绝缘体膜层较薄时,得到脉冲宽度为448fs的锁模脉冲输出。(3)为进一步提高基于新型二维纳米材料光纤激光器的性能,开发了一种具有新型三明治结构的可饱和吸收体器件。使用聚合物PMMA作为上下两层夹层,中间为拓扑绝缘体自组装薄膜,制备了一种新型的PMMA-TI-PMMA夹层可饱和吸收体。这种新型的双PMMA层结构,可以有效保护碲化铋的自组装层,使其具有较大的力学强度,不易产生褶皱和破裂。此外,由于夹层结构隔绝了空气与碲化铋本身的接触,可以有效防止碲化铋被氧化,达到比较高的化学稳定性。(4)利用PMMA-TI-PMMA的新型可饱和吸收体器件,在掺铒环形光纤激光器中,实现了正色散的耗散孤子脉冲输出。中心波长1571nm,3d B带宽为39.95nm,脉冲宽度为4.72ps,时间带宽积为22.9,具有比较大的啁啾。平均输出功率为11m W,对应单脉冲能量达到1.03n J。(5)使用少层二维纳米材料硫化钼作为可饱和吸收体,实现了1μm的光纤激光器锁模脉冲输出。将硫化钼耦合到拉锥光纤上,制成可饱和吸收器件。这种侧边耦合的方式可以有效避免光束直接辐射所带来的对硫化钼的损伤,使得硫化钼可饱和吸收体能够在比较大的光功率下保持稳定运行。基于硫化钼耦合的拉锥光纤可饱和吸收体器件,成功实现了1μm的孤子锁模脉冲输出。中心波长位于1042.6nm,脉宽656ps。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TN248;TB383.1

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