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《湖南大学》 2014年
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基于二维原子晶体的脉冲光纤激光器研究

陈宇  
【摘要】:脉冲光纤激光器主要涵盖两种技术:调Q技术和锁模技术。主动调Q或者锁模因为需要引入额外的调制器件而受到限制,而被动调Q及锁模光纤激光器却无此限制,具有结构紧凑、光束质量高、系统简单、维护成本低等优点,在光通信、光传感、工业加工、光电对抗等领域具有重要应用。对于被动调Q及锁模光纤激光器,可饱和吸收体为其核心元器件。最初,染料作为第一代可饱和吸收体已经成功用于钕玻璃等激光器的被动锁模。随着半导体工艺提高,半导体可饱和吸收镜成功应用于脉冲光纤激光器中,大大促进了超快激光器向高功率、高效率、紧凑的终极目标发展。但是,半导体可饱和吸收镜制备工艺复杂、造价高、工作带宽窄,所以研究人员一直在寻找性能更加优越的可饱和吸收体。随着新材料技术的发展,纳米材料可饱和吸收体引起研究人员的广泛关注。其中,最具代表的为碳纳米管,其具有优异的非线性吸收特性,已成功用于脉冲光纤激光器,但是他的调制深度较小,损伤阈值低,需通过精确地调控管径才能获得所需波段的可饱和吸收。近几年,二维原子晶体材料,譬如石墨烯,拓扑绝缘体等,因其独特的光学和非线性光学特性引起超快激光领域科研人员的关注。本文基于两种典型的二维原子晶体:石墨烯和拓扑绝缘体,系统研究了石墨烯和拓扑绝缘体的制备、转移及其在调Q和锁模光纤激光器中的应用,取得了以下几项研究成果:(1)提出了一种简单的能提高石墨烯转移质量的方法,并通过材料表征和锁模激光器中的应用进行了验证。实验发现石墨烯的转移质量可以通过对目标基底超声处理来提高。通过对其原子力显微镜和拉曼光谱的对比,转移至经超声处理的基底的石墨烯拥有更少的褶皱和缺陷。将石墨烯转移至超声处理过的光纤头,并熔接至光纤激光器中,可以得到更佳性能的锁模输出。这种改进的石墨烯转移技术在制备其他光电子器件,譬如光调制器、光电探测器、起偏器等,能大大提高其性能。其次,提出一个在相同激光腔条件下研究不同层石墨烯对脉冲参数的影响的方法,即引入空间耦合组件。实验发现,脉冲参数(脉冲能量,中心波长和脉冲持续时间)敏感的依赖于可饱和吸收体的参数。(2)首次实现了基于拓扑绝缘体的被动锁模光纤激光器。对于拓扑绝缘体:碲化铋,实验研究了其非线性吸收特性并获得了其饱和吸收参数,随之在通信波段实现了超短锁模脉冲输出。对于另外一种拓扑绝缘体:硒化铋,基于开孔Z扫描技术,实验证明了硒化铋具有可饱和吸收特性,并利用其在通信波段实现了锁模脉冲输出,并且中心波长可调谐。结果表明,拓扑绝缘体除了拥有奇异的电学特性外,也展现出引人注目的光学特性,特别是在超快激光领域。(3)首次实现了基于拓扑绝缘体的被动调Q光纤激光器。对于拓扑绝缘体:硒化铋,利用悬涂/蒸发法制备了自组装硒化铋薄膜,在通信波段使用平衡双探头技术表征了器件的饱和吸收参数,并利用其实现了稳定的调Q脉冲输出。通过改变腔内双折射实现了波长调谐,并得到双波长调Q输出。对于拓扑绝缘体:碲化铋,基于光学沉积方法制备了碲化铋可饱和吸收器件,将其引入全光纤的线性腔掺铒光纤激光器中,得到了稳定的调Q输出。实验结果表明拓扑绝缘体亦是优良的调Q器件。(4)基于拓扑绝缘体可饱和吸收体,实验获得了大能量、中心波长超宽带可调谐的被动调Q光纤激光输出。拓扑绝缘体可饱和吸收体通过光沉积方法制备,并利用波长可调谐脉冲源得到了其不同波长处的饱和吸收参数。实验中,拓扑绝缘体高的调制深度和损伤阈值使激光器输出的最高单脉冲能量达1.5μJ,其宽带可饱和吸收特性使激光器中心波长能从1510.9到1589.1 nm宽带调谐。研究表明拓扑绝缘体在大能量,宽调谐激光器领域有着巨大的潜力。(5)实验研究了拓扑绝缘体锁模光纤激光器中的孤子动力学特性,为研究不同孤子态特性提供了优异的平台。随着泵浦功率的增加,各多孤子态:有序,混乱,孤子簇等都被随后获得。一旦泵功率超过401 mW,激光器开始出现类噪声脉冲,通过优化腔内参数,最大的3 dB带宽为9.3 nm。通过调节偏振控制器,得到了类噪声的另外一种状态,其能自启动且稳定的保持到最大的泵浦功率而不消失。研究结果表明,拓扑绝缘体可以作为一种有效的可饱和吸收体来研究各孤子态的形成机制。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TN248

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