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《湖南大学》 2013年
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基于石墨烯可饱和吸收体的脉冲掺铒光纤激光器

王志腾  
【摘要】:被动锁模及调Q脉冲光纤激光器以其光束质量高、稳定性好、系统紧凑、结构简单等特点,在光通信、生物诊断、材料加工、国防等领域具有广泛的应用。可饱和吸收体是被动锁模及调Q脉冲光纤激光器中的关键器件。目前,半导体可饱和吸收镜(SESAM)是应用最广泛的可饱和吸收体。但是,其价格昂贵、制作工艺复杂,而且工作波长范围较窄。随着新材料技术的发展,碳纳米管可饱和吸收体受到广泛关注。碳纳米管是一种直接带隙材料,其带隙大小由管径和手性决定。最近,石墨烯已经成为科学界研究的热点。除了具有优异的电学、热学和力学特性外,石墨烯还具有独特的宽带工作的光学特性。各重要的是,石墨烯可饱和吸收体具有高的热损伤阈值、低的饱和强度、短的恢复时间、大的调制深度和波长可调谐等优点,有利于激光器在高功率、长时间情况下稳定的运转。本论文基于石墨烯可饱和吸收体,深入研究了石墨烯的非线性光学特性及其在脉冲光纤激光器中的应用,揭示了石墨烯脉冲光纤激光器中的脉冲动力学机制,对发展宽带、稳定、紧凑的脉冲激光光源具有重要意义和实用价值。具体的研究成果总结如下:首先,实验实现了可调谐、双波长、同步、石墨烯调Q光纤激光器。用石墨烯可饱和吸收体搭建了可调谐双波长同步调Q光纤激光器。通过调节偏振控制器,得到了波长间隔为25.6 nm的双波长调Q脉冲和波长间隔为5.7 nm的双波长调Q脉冲。将输出的脉冲用一个1-nm的带通滤波器滤波后,发现这两种双波长调Q脉冲的单个波长脉冲是时间同步的。另外,调节偏振控制器,不管两个波长的相对位置还是绝对位置(在光谱上)的变化,双波长同步调Q激光器的性能都不会变化。将谐振腔中双折射滤波器改成马赫-曾德尔滤波器,可以得到重复率相近的双波长同步调Q脉冲。石墨烯可饱和吸收体能够在多波长光纤激光器中工作,并且对两个波长脉冲的吸收效果相同,与滤波器无关。其次,实验实现了基于多层石墨烯(22层)的调Q锁模光纤激光器。通过非线性测量,获得了 CVD方法制备的多层石墨烯样品的非线性参数,其调制深度达40%。基于该石墨烯可饱和吸收体,实验获得了最小的脉冲包络宽度为13.84μs和主脉冲最大峰值功率为35.89 W的调Q锁模脉冲,并通过调Q不稳定性理论分析了调Q锁模光纤激光器的工作特性。第三,实现了无衬底、反射型的石墨烯调Q光纤激光器。传统的石墨烯可饱和吸收体需要衬底才方便引入激光器中工作。我们通过CVD方法,制备得到了无衬底的多层石墨烯样品,并基于非线性测量方法,获得了石墨烯可饱和吸收体反射器的调制深度为0.5%,饱和功率密度为351 W/cm2。将该石墨烯反射器熔接到掺铒光纤激光器中,实验得到了重复率22 kHz、脉冲宽度11μs、单脉冲能量23 nJ、中心波长1530nm的稳定调Q脉冲。研究结果不仅丰富了人们对石墨烯非线性光学特性的认识,而且拓展了石墨烯可饱和吸收体在脉冲光纤激光器中的应用。第四,实现了低重复率石墨烯锁模光纤激光器。研究了基于石墨烯可饱和吸收体的长腔型锁模光纤激光器,观察到了单脉冲类噪声锁模态、双脉冲类噪声锁模态和泵浦滞后现象。单个类噪声脉冲能量达到5.9 nJ,大于一般负色散孤子的脉冲能量。与非线性偏振旋转锁模技术相比,基于石墨烯可饱和吸收体的长腔型锁模光纤激光器具有稳定、易自启动等特性。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TN248

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【参考文献】
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