基于二維原子晶體的脈沖光纖激光器研究.pdf

1、脈沖光纖激光器主要涵蓋兩種技術:調Q技術和鎖模技術。主動調Q或者鎖模因為需要引入額外的調制器件而受到限制，而被動調Q及鎖模光纖激光器卻無此限制，具有結構緊湊、光束質量高、系統簡單、維護成本低等優(yōu)點，在光通信、光傳感、工業(yè)加工、光電對抗等領域具有重要應用。對于被動調Q及鎖模光纖激光器，可飽和吸收體為其核心元器件。最初，染料作為第一代可飽和吸收體已經成功用于釹玻璃等激光器的被動鎖模。隨著半導體工藝提高，半導體可飽和吸收鏡成功應用于脈沖光纖激

2、光器中，大大促進了超快激光器向高功率、高效率、緊湊的終極目標發(fā)展。但是，半導體可飽和吸收鏡制備工藝復雜、造價高、工作帶寬窄，所以研究人員一直在尋找性能更加優(yōu)越的可飽和吸收體。隨著新材料技術的發(fā)展，納米材料可飽和吸收體引起研究人員的廣泛關注。其中，最具代表的為碳納米管，其具有優(yōu)異的非線性吸收特性，已成功用于脈沖光纖激光器，但是他的調制深度較小，損傷閾值低，需通過精確地調控管徑才能獲得所需波段的可飽和吸收。近幾年，二維原子晶體材料，譬如石墨

3、烯，拓撲絕緣體等，因其獨特的光學和非線性光學特性引起超快激光領域科研人員的關注。本文基于兩種典型的二維原子晶體:石墨烯和拓撲絕緣體，系統研究了石墨烯和拓撲絕緣體的制備、轉移及其在調Q和鎖模光纖激光器中的應用，取得了以下幾項研究成果:
　　(1)提出了一種簡單的能提高石墨烯轉移質量的方法，并通過材料表征和鎖模激光器中的應用進行了驗證。實驗發(fā)現石墨烯的轉移質量可以通過對目標基底超聲處理來提高。通過對其原子力顯微鏡和拉曼光譜的對比，轉移

4、至經超聲處理的基底的石墨烯擁有更少的褶皺和缺陷。將石墨烯轉移至超聲處理過的光纖頭，并熔接至光纖激光器中，可以得到更佳性能的鎖模輸出。這種改進的石墨烯轉移技術在制備其他光電子器件，譬如光調制器、光電探測器、起偏器等，能大大提高其性能。其次，提出一個在相同激光腔條件下研究不同層石墨烯對脈沖參數的影響的方法，即引入空間耦合組件。實驗發(fā)現，脈沖參數（脈沖能量，中心波長和脈沖持續(xù)時間）敏感的依賴于可飽和吸收體的參數。
　　(2)首次實現了基

5、于拓撲絕緣體的被動鎖模光纖激光器。對于拓撲絕緣體:碲化鉍，實驗研究了其非線性吸收特性并獲得了其飽和吸收參數，隨之在通信波段實現了超短鎖模脈沖輸出。對于另外一種拓撲絕緣體:硒化鉍，基于開孔Z掃描技術，實驗證明了硒化鉍具有可飽和吸收特性，并利用其在通信波段實現了鎖模脈沖輸出，并且中心波長可調諧。結果表明，拓撲絕緣體除了擁有奇異的電學特性外，也展現出引人注目的光學特性，特別是在超快激光領域。
　　(3)首次實現了基于拓撲絕緣體的被動調Q

6、光纖激光器。對于拓撲絕緣體:硒化鉍，利用懸涂/蒸發(fā)法制備了自組裝硒化鉍薄膜，在通信波段使用平衡雙探頭技術表征了器件的飽和吸收參數，并利用其實現了穩(wěn)定的調Q脈沖輸出。通過改變腔內雙折射實現了波長調諧，并得到雙波長調Q輸出。對于拓撲絕緣體:碲化鉍，基于光學沉積方法制備了碲化鉍可飽和吸收器件，將其引入全光纖的線性腔摻鉺光纖激光器中，得到了穩(wěn)定的調Q輸出。實驗結果表明拓撲絕緣體亦是優(yōu)良的調Q器件。
　　(4)基于拓撲絕緣體可飽和吸收體，實

7、驗獲得了大能量、中心波長超寬帶可調諧的被動調Q光纖激光輸出。拓撲絕緣體可飽和吸收體通過光沉積方法制備，并利用波長可調諧脈沖源得到了其不同波長處的飽和吸收參數。實驗中，拓撲絕緣體高的調制深度和損傷閾值使激光器輸出的最高單脈沖能量達1.5μJ，其寬帶可飽和吸收特性使激光器中心波長能從1510.9到1589.1nm寬帶調諧。研究表明拓撲絕緣體在大能量，寬調諧激光器領域有著巨大的潛力。
　　(5)實驗研究了拓撲絕緣體鎖模光纖激光器中的孤子