基于低维纳米材料主、被动调制的脉冲光纤激光器研究

发布时间：2020-06-04 23:45

【摘要】：具有高峰值功率、高脉冲能量、高重复频率和宽光谱线宽的脉冲激光是光通信、传感、材料加工、医疗等领域不可或缺的重要光源;光纤激光器由于结构紧凑、散热性好、光束质量高、兼容性好等优点,被认为是一种最有前途的脉冲激光载体。然而,目前用于脉冲激光产生的光调制材料响应带宽有限,制作和封装技术复杂且与光纤激光器兼容性较差,阻碍了脉冲激光技术的发展。因此,探索新材料和新技术,研究具有功能更全面、制备更简单和成本更低的新型光调制器件成为脉冲激光技术的一个重要发展方向。本论文中,我们以具有可饱和吸收特性的黑磷、碳纳米管和具有电光调制特性的石墨烯为研究对象,通过实验制备黑磷、碳纳米管可饱和吸收体和石墨烯电光调制器,分别研究它们的光学响应和光调制特性,再将它们用于光纤激光器中通过主、被动调Q、锁模技术实现可调谐脉冲激光输出。通过建立锁模激光的理论模型,研究腔内脉冲在时域和频域演化的动力学过程。主要的研究内容如下:(1)黑磷和碳纳米管可饱和吸收体的制备和表征分别采用机械剥离法和液相剥离法制备黑磷可饱和吸收体,机械剥离的黑磷可以直接转移到光纤端面制成全光纤型可饱和吸收体;液相剥离的黑磷通过与聚碳酸酯聚合物进行功能化改性,获得在空气中稳定性较强的黑磷聚合物复合材料;通过对机械剥离的黑磷进行光学表征,发现其具有很强的线性和非线性各向异性吸收。采用管径~1.3 nm的单壁碳纳米管作为原材料,通过超声离心技术将其分散制成悬浊液,再使用羧甲基纤维素钠聚合物对碳纳米管进行改性,制成宽带的碳纳米管聚合物复合材料,特殊的管径分布使其在1.5μm的通信波段具有强的吸收峰。(2)黑磷被动调Q、锁模脉冲激光特性研究首先,将机械剥离的黑磷和液相剥离并功能化的的黑磷聚合物复合材料可饱和吸收体作为调Q器件,在掺铒光纤激光器中获得了两种高能量脉冲输出,并分析讨论了脉冲的形成机理。然后通过对机械剥离的黑磷调Q光纤激光器进行优化,获得了被动锁模超短脉冲输出,通过建立脉冲在激光器中的传输模型,采用分步傅里叶法求解描述脉冲演化过程的非耦合Ginzburg-Landau方程,从理论上解释了基于黑磷被动锁模的脉冲产生过程和机理。(3)碳纳米管可调谐锁模脉冲激光特性研究单壁碳纳米管可饱和吸收体具有宽的光学响应带宽,通过与掺铒光纤激光器集成,再引入光谱滤波机制,可以实现中心波长、光谱带宽和脉冲宽度都可调谐的超短脉冲输出。通过建立激光谐振腔内的脉冲演化模型,从理论上研究了锁模脉冲激光器的腔内滤波效应对激光光谱、输出脉冲形状的影响,理论与实验相结合,相互验证。(4)石墨烯电光调制器的设计和电光特性研究从材料的能带结构出发,理论分析了石墨烯电光调制的原理,通过总结现有石墨烯光调制器的优点和不足,提出基于平板电容型的石墨烯电光调制器,实验探索相应的微加工技术,获得了石墨烯电光调制器原理型器件,实现了近红外波段的宽带(1.5-2μm)调制,并对其响应速率、调制深度等电光响应特性进行了表征。(5)石墨烯主动调Q和同步调Q脉冲激光特性研究我们将平板电容型石墨烯电光调制器分别与1.5μm掺铒光纤激光器和2μm铥钬共掺光纤激光器集成,在实验上首次获得了石墨烯主动调Q脉冲激光输出;然后将同一器件与能够同时运转1.5μm和2μm波长的复合腔光纤激光器集成,实现了主动同步调Q脉冲输出;通过对电压信号频率的调制,可以对激光器的输出脉冲宽度、脉冲能量和脉冲重复频率进行调谐,并在实验结果的基础上,分析和讨论了石墨烯主动调Q脉冲与电压信号参量之间的关系。
【图文】：

吸收谱线,铒离子,能级结构

因此，掺铒光纤激光器发展非常迅速。在掺铒光纤中，铒离子是发射激光波长的主要物质，其辐射光子来源于铒离子中激活粒子的带间跃迁，，如图1.1所示，铒离子属于典型的三能级结构，相比于四能级，三能级的转换效率比较低，且工作物质的增益长度存在最佳值，所以，在构建掺铒光纤激光器时，掺铒光纤的长度和铒离子的掺杂浓度对激光器的工作特性具有很大影响。从图中还可以看出，铒离子发生荧光跃迁的光谱线是4 413 2 15 2I -I ，则其发射的荧光波长在1550nm附近；铒离子的吸收谱线主要有三条，分别对应1480 nm（4 415 2 13 2I -I ），980 nm（4 415 2 11 2I -I ）和800 nm（4 415 2 9 2I -I ）波长

铥离子,能级结构

图 1.1 铒离子的能级结构图级结构和特点安全范围，其在医疗方面有重要的应有广泛的应用，所以，2μm 光纤激光产生 2μm 激光的一种重要稀土离子波长的光作为泵浦源，使基态3H6的的泵浦能级由于自淬灭过程，会迅发到能级3F4。最后，2 μm 的激光寿命很长，可达到~10 ms，很适合作
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248

【参考文献】