基于金纳米笼和二硒化锡饱和吸收体的脉冲掺镱光纤激光器特性研究

发布时间：2020-11-03 00:44

　　 脉冲光纤激光器具有泵浦阈值低、峰值功率高、单脉冲能量大、输出光束质量好、转换效率高、散热效果好等显著优点,广泛应用于光通信、光纤传感、材料加工、生物医学、光学测量等重要领域。利用可饱和吸收体(SA)的饱和吸收效应,可以实现调Q、锁模或谐波锁模脉冲激光输出;利用饱和吸收体的高非线性,经非线性效应过程,可以形成多波长输出。因此,在光纤激光器中应用饱和吸收体是一种实现多波长脉冲的有效方式,引起了广泛的关注,成为研究的热点。近年来,各种二维材料,如:碳纳米管、石墨烯、金纳米材料、拓扑绝缘体、片层金属硫化物、过渡金属硫化物和黑磷等,相继被用作饱和吸收体,实现被动调Q、锁模和谐波锁模等脉冲激光输出。金纳米可以通过调节分子的尺寸、形状和内部结构等,使局域表面等离子共振峰从可见光调节到近红外区域,因而具有较宽的吸收带。片层金属硫化物最显著的特点是单片层结构具有直接带隙,少层或多层结构具有间接带隙,可以通过改变片层数调节带隙大小。因此,近年来金纳米和片层金属硫化物被广泛研究和应用,但是将其作为饱和吸收体在光纤激光器中实现多波长输出和谐波锁模操作的研究还很缺乏。本文中,我们利用金纳米笼(GNCs)实现了双波长被动调Q工作状态,利用二硒化锡(SnSe2)实现了双波长锁模、双波长低阶谐波锁模和单波长高阶谐波锁模脉冲输出。并深入分析了调Q、锁模、谐波锁模和多波长工作方式的形成机理和演化规律。本论文的研究工作主要分为以下几个方面:1.利用品种法成功制备金纳米笼,并以聚乙烯醇(PVA)为基质集成光纤兼容的饱和吸收体,首次实现了双波长被动调Q掺镱光纤激光脉冲输出。并用开口Z扫描技术测得GNCs-PVA饱和吸收体的调制深度和饱和光强分别为5.3%和0.16 MW/cm2。我们分析讨论了双波长调Q脉冲的形成机理,并测得其峰值波长分别为1059.9 nm和1060.5 nm。当泵浦功率为385 mW时,获得6.03 mW的最大平均输出功率,对应的最小脉宽为2.06 μs,最大脉冲重复率为134.9 kHz,光-光转化效率和斜率效率分别为1.57%和2.75%。2.利用液相剥离法制备单片层的SnSe2纳米片,并以PVA为基质材料,用三明治法集成饱和吸收体,成功搭建了一台双波长被动锁模掺镱光纤激光器。当泵浦功率在54.5 mW到241.7 mW之间时,通过适当调节偏振控制器,可以观察到频率为333 kHz的四种双波长基频锁模脉冲,对应的波长间隔分别为0.4nm,1.0nm,1.5 nm和1.9nm。3.利用SnSe2-PVA饱和吸收体同时作为锁模器和滤波器,实现双波长低阶谐波锁模光纤激光脉冲输出。通过适当调节光纤腔内的偏振态,成功观察到从第2阶一直到第23阶的低阶谐波。并分析讨论了谐波生成的机理、模式竞争和某些阶次谐波的缺失现象。4.利用SnSe2-PVA饱和吸收体同时具备的饱和吸收效应和高非线性,成功搭建了一台单波长高阶谐波锁模掺镱光纤激光器。通过细致调节光纤腔内的偏振态,观察到频率为400MHz,460MHz,520MHz和550MHz的四种高阶谐波,基于333 kHz的基频,它们对应的谐波阶数分别为1200阶,1380阶,1560阶和1650阶。此外,我们分析了它们的精细频率,并在频谱图中观察到精细频谱峰聚集成簇的现象。并以斜率效率为切入点,分析了高阶谐波在整个泵浦功率范围内具有的整体一致性。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN248
【部分图文】：

Ｄ?［ｐｓ／（ｋｍ?■?ｎｍ）］?Ｄ?＞?０?Ｄ?＜?０?Ｄ?＝?－３８?［４１］?Ｄ?＝?１７?［４２］??非线性是由于光纤材料介质对光场的非线性极化响应。非线性效应的分类情??况归纳如图１．２所示。根据光场与介质有无能量交换的情况，光纤中的非线性效应??可以分为弹性非线性和非弹性非线性：弹性非线性主要包括三次谐波产生、四波混??频、非线性折射等；非弹性非线性主要包括受激拉曼散射（ＳＲＳ）和受激布里渊散??射（ＳＢＳ）等。非线性折射是由介质的折射率对光场非线性响应产生的，根据非线??性相移来源于自身还是其它光场，可以分为自相位调制（ＳＰＭ）和交叉相位调制??（ＸＰＭ）。??６??

?套管??／?ｎｌ／＾－?－－＋涂覆层??［＾?４—包层??、—纤芯??图１．１阶跃折射率单模光纤的截面示意图。??光纤的性能参数有增益、损耗、色散和非线性等。增益主要是指增益光纤（一??般为稀土掺杂光纤）中的掺杂离子在泵浦光激发下，发生能级跃迁，输出受激辐射??光，并在光纤激光腔内振荡，逐渐增强的作用。损耗包括石英本身的材料吸收和瑞??利散射引起的本征损耗，以及光纤的弯曲损耗等。色散是指介质折射率对光波频率??的非线性响应，主要包括光纤本身的材料色散、光纤结构引起的波导色散、光纤应??力双折射引起的偏振模色散等。色散通常用群速度色散参量／？２和色散参量Ｄ定量描??述，它们之间有关系式：Ｄ?＝?－＾／？２?［４０］。根据／？２和０的符号，可以将光纤工作区??分为反常色散区和正常色散区，如表１．２所示。??表１．２色散参数／？２和口。??＂＂色散参数?｜正常色散区｜反常色散区｜?１０６０?ｎｍ?１５５０?ｎｍ??ｐ２?（ｐｓ２／ｋｍ）?／？２?＜?０?ｐ２＞０?／？ｚ?＝?２２．７?ｐ２?＝?－２１．７??Ｄ?［ｐｓ／（ｋｍ?■?ｎｍ）］?Ｄ?＞?０?Ｄ?＜?０?Ｄ?＝?－３８?［４１］?Ｄ?＝?１７?［４２］??非线性是由于光纤材料介质对光场的非线性极化响应。非线性效应的分类情??况归纳如图１．２所示。根据光场与介质有无能量交换的情况，光纤中的非线性效应??可以分为弹性非线性和非弹性非线性：弹性非线性主要包括三次谐波产生、四波混??频、非线性折射等；非弹性非线性主要包括受激拉曼散射（ＳＲＳ）和受激布里渊散??射（ＳＢＳ）等。非线性折射是由介质的折射率对光场非线性响应产生的

光纤激光器中使用的偏振控制器（Ｐ〇ｌａｒｉｚａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏ！ｌｅｒ，ＰＣ）?—般有波片型偏??振控制器、光纤穿入挤压式偏振控制器和光纤环型偏振控制器等。三环式光纤环型??偏振控制器如图１．５?（ａ）所示。光纤在第一环内缠绕２圈，等效Ｘ７４波片；第二环??内缠绕４圈，等效Ａ／２波片；第三环内缠绕２圈，等效Ｖ４波片，如图】．５（ｂ）所示。??非偏振光经过第一环（Ｘ／４波片）后，转化成线偏振光；旋转第二环，相当于用Ａ７２??波片改变线偏振光的偏振方向；第三环（Ｘ／４波片）相当于检偏器，在旋转过程中，??将线偏振光改变成其它椭圆偏振光。??，?，，，，，，?（ｂ）??＾?＾?＾?ｓｗｅｅｗｊ＾．＾?ｈ＇４?波片?Ｘ／２?波片?Ｘ／４?波片??图丨．５?（ａ）三环式光纤环形偏振控制器实物图，（ｂ）工作原理图。??１０??
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本文编号：2867829