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基于二维材料非线性效应的多波长锁模光纤激光器研究

郭波  
【摘要】:多波长锁模光纤激光器由于在许多领域,如光通信、光纤传感、生物医学研究、激光雷达和非线性光学等有着十分重要的应用价值而成为研究热点。目前,实现多波长锁模光纤激光器的方式有主动锁模和被动锁模两种。主动锁模通常需要声光或电光调制器,使得激光器结构复杂,因而不易实现小型化;并且获得的脉冲宽度一般为皮秒量级。与主动方案相比,被动锁模具有更多优点,例如结构简单、输出脉宽更窄以及稳定性好等优点,从而得到广泛研究和应用。可饱和吸收体是被动锁模光纤激光器的核心器件之一。目前,我们常采用半导体可饱和吸收镜作为可饱和吸收体。不过,它需要输出透镜将泵浦光耦合进光纤中,使得光纤激光器的结构变得很复杂且腔内损耗较大。因此,亟需探索新型的可饱和吸收体。近年来,拓扑绝缘体和二维硫化物由于具有巨大的非线性折射率、高的调制深度、低的饱和吸收阈值而引起物理、化学和材料领域研究人员的极大关注。目前,研究人员主要侧重于研究单波长锁模脉冲,而利用这些二维材料同时具有的高非线性来产生多波长锁模脉冲却鲜有涉入。同时,多波长锁模光纤激光器的机理和理论模型有待建立和完善,该激光器也是研究脉冲传输以及非线性动力学演化的理想平台。在本文中,我们利用拓扑绝缘体和二维硫化物的双重功能,即饱和吸收和高非线性,构建了一种多波长锁模光纤激光器,并深入分析了多波长锁模脉冲的形成机理和演化规律。主要内容如下:首先,我们从理论上分析了多波长锁模脉冲的形成机理及影响因素。多波长锁模脉冲的形成源于拓扑绝缘体和二维硫化物的饱和吸收和高非线性及腔内单模光纤的双折射和偏振控制器的偏振相关损耗相结合所产生的滤波效应。在实验上,我们利用拓扑绝缘体Bi2Se3聚乙烯醇溶液和薄膜分别实现了可调谐三波长锁模和四波长锁模光纤激光激光器。其次,我们利用拓扑绝缘体聚合物薄膜作为锁模器件,获得了两种高脉冲能量的纳秒脉冲并分析了它们的形成机理。第一种为双波长矩形脉冲,其脉冲宽度随泵浦功率的增加在13.62 ns~25.16 ns之间可调,相应的脉冲能量为0.593 nJ~2.824 n J,这远高于传统孤子的脉冲能量(小于0.1 nJ)。实验上,除了基频运转,我们还实现了双波长矩形脉冲的谐波锁模。另一种为双波长混合类台阶-暗孤子脉冲。再次,我们利用拓扑绝缘体聚合物薄膜作为锁模器件,在掺铒光纤激光器的近零色散区首次实现了双波长亮-暗孤子对的基频和高次谐波运转,并分析了它们的形成机理和演化规律。实验上,获得双波长亮-暗孤子对的最高重复频率为433.8 MHz,对应于280次谐波。进而,我们在基于拓扑绝缘体的光纤激光器中,首次实现了双波长的暗孤子脉冲。此外,我们还分析了腔内色散对双波长亮-暗孤子对脉冲形状和脉冲宽度的影响。最后,我们利用基于二硫化钨光纤拉锥体作为锁模器件,在掺铒光纤激光器的负色散区,首次实现了双波长飞秒孤子以及“凹形边带”孤子,并分析了它们的形成机理和演化规律。利用耦合非线性薛定谔方程,还分析了单波长飞秒脉冲在单模光纤中的传输规律。研究表明,光纤激光器中双波长孤子的形成由腔内色散、双折射、高非线性和饱和吸收共同决定;而“凹形边带”孤子的形成可归因于参量过程的四波混频。对于单波长孤子,我们获得迄今已报道的最大谱宽和最小脉宽分别为11.48 nm和220 fs。同时,首次获得了双波长飞秒孤子,其谱宽为~4.2 nm和~4.4 nm,对应的脉宽分别为~605 fs和~585 fs。


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