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类硫化钼材料的超快激光应用

杜娟  
【摘要】:超快激光具有独特的超短脉冲,脉冲宽度持续时间仅有几皮秒(ps)或飞秒(fs),超强特性,能在较低的能量下获得极高的峰值强度。这样的脉冲在许多领域有重要应用,探索超快化学反应中的微妙变化,瞬态成像,实现超快光开关,以及高精度大容量的光通讯系统。另外丰富的光谱成分可用做光谱检测,脉冲整形等。而高的峰值功率则可实现激光医学手术,激光加工,激光约束核聚变等等。光纤激光器具备优良的散热性能,高光束质量,高泵浦转换效率,结构紧凑便于封装携带,维护成本低廉等诸多天然优势,引起研究者们广泛地关注和兴趣。实现超短脉冲光纤激光器的方法主要有主动锁模和被动锁模,由于主动锁模需要额外的有源器件增加了结构复杂性,被动锁模只需在腔中加入非线性光调制器,无需有源器件使结构大大简化而得到广泛应用。实现被动锁模的非线性光调制器就是可饱和吸收体,分为等效可饱和吸收体(非线性偏振旋转NPR技术)和天然可饱和吸收体(半导体饱和吸收镜SESAM、碳纳米管CNTs)。近来,二维层状材料,如石墨烯、过渡族金属二硫属化物(TMDs)、黑磷(BP)等由于其优异的光学特性引起人们的关注,将其制作成可饱和吸收体应用于光纤激光器中,以期获得窄脉宽、高重频、大能量的锁模脉冲以及实现光纤激光器中孤子脉冲动力学基础研究是人们的目标。MoS2(二硫化钼)是一种典型的TMDs,其带隙随层数的变化而变化。大部分TMDs材料和BP材料(如:BP纳米片、黑磷量子点BPQDs、磷烯量子点PQDs)也具有这样的能带特点,它们均可以称为类硫化钼材料。本文中研究了几种类硫化钼材料MoS2、BPQDs和PQDs的光学非线性—可饱和吸收特性并实现其超快激光应用,具体研究成果如下:1.提出“侧面相互作用”方案,解决了纯MoS2材料光损伤阈值低的问题。首次将MoS2材料滴涂到拉锥光纤的锥区,在室温下自然干燥,材料和拉锥光纤的倏逝场相互作用实现可饱和吸收体的制作。将该器件应用于掺镱光纤激光器中实现了连续波锁模脉冲和调Q锁模脉冲,随后经测试该器件可以承受功率高达1W的连续激光不被损坏,性能依然良好。“侧面相互作用方案”的理念还有其他方面不容忽视的优点,比如这种方法增长了材料和光场作用的距离,提高了器件调制光场的能力,增强了器件的散热能力以及该器件大的非线性效应具有研究多样孤子态的潜力。考虑到其它TMDs材料有和MoS2材料类似的特点,我们的研究结果提供了一种行之有效的方法解决那些层状半导体材料光损伤阈值低的问题。2.BP材料带隙的范围是0.3-2 ev,有效的填补了零带隙材料石墨烯和大带隙材料TMDs(1-2 ev)之间的空白。更重要的是,BP在任何层数下均为直接带隙,这大大提高了光与物质直接相互作用的效率。BPQDs和BP纳米片相比,具有均匀的外貌和片径尺寸,且具有比BP纳米片更优异的光学可饱和吸收特性。本研究工作首次将BPQDs光沉积到自行拉制的拉锥光纤上,并在沉积过程中使用恒温台,延长了 BPQDs材料的使用寿命。制作的BPQDs拉锥光纤可饱和吸收体实现了通信波段掺铒光纤激光器的锁模脉冲输出。我们的工作论证了这种二维材料作为可饱和吸收体在超短脉冲光纤激光技术方面有着潜在的应用价值。3.PQDs同BPQDs相比,材料层数严格控制在1-2层,除了具有均一的外貌和片径尺寸外,带隙也呈现均匀状态,期望拥有更杰出的光电性能。但关于这种材料全面的非线性光学性能的研究,尤其在1550 nm光谱范围以及多样的超快光子学的应用方面还未见报道。我们首次实现PQDs拉锥光纤可饱和吸收体器件的制作,并将其应用在掺铒光纤激光器中实现了 fs量级的超短脉冲和偏振锁定矢量孤子运转,器件性能稳定性优良。实验研究证明PQDs材料在超快光子学应用领域有着巨大的应用价值,并且是研究光纤激光器中多样的孤子脉冲动力学的理想平台,这将大大推动超短脉冲光纤激光器的发展。


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