基于新型二维材料的超短脉冲光纤激光器研究

发布时间：2020-06-01 17:34

【摘要】：产生皮秒或飞秒脉冲的超快光纤激光器不仅具备良好的光束质量,还具有极好的柔性与灵活性、可设计性、易于系统集成等优点。在过去的十几年里,在光通讯、光传感、激光医疗、工业加工以及基础学科研究等领域,超快光纤激光器受到了广泛的关注。获得超短脉冲的主要方法之一是被动锁模技术,其中的关键是在激光腔内引入可饱和吸收体(Saturable Absorber,SA)。当前市场上应用最广泛的可饱和吸收体为半导体可饱和吸收镜(Semiconductor Saturable Absorption Mirrors,SESAM)。然而,其价格昂贵、制作复杂、响应波长范围窄,使得研究者和技术人员进一步寻求具备宽波段响应、高调制深度、低损耗、高热损伤阈值、高稳定性特点的可饱和吸收体,来实现光纤激光器的优化与革新。黑磷(Black Phosphorus,BP)等二维材料因其优良的可饱和吸收特性,已成功应用于锁模光纤激光器,成为被广泛关注的一个前沿方向。而黑磷本身易氧化不稳定的问题严重阻碍了其实际应用。本论文在系统研究二维材料锁模光纤激光器的基础上,着重针对这一瓶颈问题提出了对策和解决方案。对二维材料锁模的超快光纤激光器进行了理论分析和实验研究,详细介绍了基于黑磷和过渡金属硫化物可饱和吸收体的制备、表征、转移、非线性光学特性及其在超快激光中的应用。首先,分别搭建了基于黑磷纳米片和黑磷量子点(Black Phosphorus Quantum Dots,BPQDs)聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate,PMMA)薄膜的可饱和吸收体锁模光纤激光器。利用液相剥离法制备出黑磷纳米片,并且对黑磷纳米片的尺寸、形貌进行了表征分析。随后用光沉积法制作了基于此材料的可饱和吸收器件,并应用于工作在通信波段的光纤激光器,获得了超快激光的输出;此外,为解决黑磷材料在空气中不稳定、易氧化问题,本论文采用静电纺丝技术,将BPQDs包覆在PMMA纳米纤维薄膜中,制成透光率高、质地均匀的BPQDs/PMMA复合纳米纤维薄膜。我们将BPQDs/PMMA复合纳米纤维薄膜作为可饱和吸收体应用于被动锁模光纤激光器中,获得了中心波长为1567.6nm,脉宽为1.07 ps的超短脉冲,证明了这种复合材料表现出优异的非线性饱和吸收特性。并且,材料放置了三个月之后仍可以实现锁模。充分验证了这种制备方法很大程度上克服了黑磷的氧化问题,从而提高了光纤激光器的稳定性。其次,本文采用矿化剂辅助气相相变法生长硒掺杂黑磷晶体。这种方法成本低、产出高、元素掺杂可控,且为实现黑磷光电性能的调控提供了有效途径。继而我们用液相剥离法得到了厚度约4 nm的硒掺杂黑磷纳米片。在此基础上,探索了掺杂后的黑磷光生载流子及传输性质。证明了硒掺杂黑磷纳米片比黑磷纳米片本身更容易达到饱和光强,且表现出优于黑磷本身的光学稳定性。基于前期的测试结果,我们用这种纳米片制成可饱和吸收体分别在负色散、近零色散区的光纤激光器中实现了锁模脉冲的稳定输出。最后,本论文首次系统的研究了基于类黑磷材料二硫化钛(Titanium Sulfide,TiS_2)的可饱和吸收特性。采用热注入的胶体合成方法制备出均匀六边形分布、高纯度的二硫化钛纳米片,这种合成方法可以有效地调控材料的厚度和尺寸,以满足不同的实验需求。在Z扫描系统中测量了材料的非线性可饱和吸收参量,证实了TiS_2具备从可见到中红外波段的可饱和吸收体特性。利用这一特性,我们制备了基于TiS_2纳米片的可饱和吸收器件。在光纤激光器中实现了中心波长为1569.5 nm,脉宽为1.04 ps的锁模输出,并在全光阈值系统中将脉冲的信噪比由1.9 dB优化至10.68 dB。结合TiS_2本身的电学优势,我们的工作为TiS_2在光电器件方面的应用拓展了空间。
【图文】：

过程图,可饱和吸收,过程

可饱和吸收技术的发展过程

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锁模光纤激光器结构示意图
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248

【参考文献】