偏振态可调及石墨烯调Q、锁模柱矢量光研究

发布时间：2017-04-30 16:10

  本文关键词：偏振态可调及石墨烯调Q、锁模柱矢量光研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：偏振是光最重要、最根本的特性之一。不同于线偏振光、圆偏振光及椭圆偏振光这些偏振态空间均匀分布的标量光束,具有轴对称或旋转对称偏振态空间分布的柱矢量光束(Cylindrical vector beam, CVB)在最近几年吸引了越来越多的目光。由于紧聚焦后所展现出的独特性质(例如突破衍射极限的光斑尺寸,强纵向电场等),它可以广泛应用在高分辨显微成像、电子加速、光学捕获、材料加工等领域。自2004年被发现以来,石墨烯一跃成为当下最火热的纳米材料之一。尤其是作为新型可饱和吸收体,它制备简单且成本低廉,拥有传统可饱和吸收体所不具备的超宽运转带宽、超快响应时间、可控调制深度等诸多优异性能,为调Q、锁模短脉冲激光器打开了一扇崭新的大门。本论文针对目前柱矢量光领域的研究不足,创造性的将其首次与石墨烯相结合做了一系列的理论与实验研究。具体内容如下：(1)偏振态可调柱矢量光研究首先从Helmholtz方程出发推导了柱矢量光的数学表达,然后利用斯托克斯参量法结合庞加莱球图示法理论分析了两个正交线偏振TEM01模矢量叠加的过程,结果表明改变两个模之间的相位差δ及模方向与偏振方向的初始夹角φ0可以得到不同偏振态分布的柱矢量光。基于以上理论分析,我们在实验上搭建了一套简单灵活的Mach-Zehnder干涉系统,无需改变装置结构或更换光学元件,通过旋转阶跃相位板和改变电光相位调制器负载电压对进行调节,实现了偏振态可调柱矢量光的输出。(2)石墨烯可饱和吸收镜的制备及表征首先从能带结构出发分析了石墨烯的非线性可饱和吸收特性,然后利用氧化还原法和化学气相沉积法获得了高品质石墨烯原材料,再选择相应的成膜转移技术(主要为旋涂法和湿化学转移法),以K9玻璃为基底,通过电镀多层SiO2/Ti2O5电介质层来调节其透过率,设计制作了GSA (Graphene-based Saturable Absorber) 和 GOC (Graphene-based Output Coupler)两种结构不同的石墨烯可饱和吸收镜,并进行了一系列的光学性能表征,为后续的激光器调Q、锁模实验提供了关键元件。(3)石墨烯调Q、锁模激光特性研究首先从速率方程和Haus方程出发理论分析了石墨烯调Q脉冲的产生机理与稳定锁模的阈值条件,并根据分析结果阐述了在设计石墨烯调Q、锁模激光器时需要考虑的因素,为后续实验提供了理论依据。然后实验上分别利用Nd:YVO4和Nd:YAG晶体作为增益介质,在端面和侧面两种不同泵浦方式下,获得了稳定的石墨烯调Q及锁模激光输出,证明我们设计制作的石墨烯可饱和吸收镜可以作为有效的调Q、锁模元件应用到激光器谐振腔中。(4)短脉冲柱矢量光研究首先理论分析了基于Nd:YAG晶体热致双折射和双焦热透镜效应实现谐振腔内偏振控制的原理。然后实验上将石墨烯短脉冲技术与腔内偏振控制技术结合,在前面石墨烯调Q及锁模激光特性研究的基础上,利用设计制作的GOC和GSA作为调Q、锁模元件,国内外首次搭建了基于石墨烯全固态柱矢量光调Q、锁模激光器,分别得到平均输出功率2.7 W、脉冲宽度192 ns、重复频率167 kHz的调Q径向偏振柱矢量光和平均输出功率2 W、脉冲宽度15.6 ps、峰值功率高达1.08 kW的锁模径向偏振柱矢量光。
【关键词】：偏振态 柱矢量光 石墨烯 调Q 锁模
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O436.3
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-32
• 1.1 柱矢量光研究回顾10-25
• 1.1.1 什么是柱矢量光10-13
• 1.1.2 柱矢量光的紧聚焦特性及应用13-19
• 1.1.3 柱矢量光的产生方法19-23
• 1.1.4 从连续走向脉冲23-25
• 1.2 短脉冲的产生方法25-30
• 1.2.1 调Q技术25-27
• 1.2.2 锁模技术27-29
• 1.2.3 石墨烯在调Q、锁模激光器中的应用29-30
• 1.3 本论文的研究目的及内容安排30-32
• 第二章 偏振态可调柱矢量光研究32-49
• 2.1 偏振态及其表示方法32-38
• 2.2 柱矢量光的数学表达38-41
• 2.3 相干叠加产生偏振态可调柱矢量光41-48
• 2.3.1 理论分析41-44
• 2.3.2 实验装置与结果讨论44-48
• 2.4 本章小节48-49
• 第三章 石墨烯可饱和吸收镜的制备及表征49-70
• 3.1 石墨烯的结构与特性49-60
• 3.1.1 碳与石墨烯49-51
• 3.1.2 石墨烯的晶格与能带结构51-54
• 3.1.3 石墨烯的光学特性54-60
• 3.2 石墨烯的生长60-63
• 3.2.1 氧化还原法60-62
• 3.2.2 化学气相沉积法62-63
• 3.3 石墨烯可饱和吸收镜的制备及表征63-69
• 3.3.1 增透式石墨烯可饱和吸收镜64-67
• 3.3.2 石墨烯可饱和输出耦合镜67-69
• 3.4 本章小节69-70
• 第四章 石墨烯调Q及锁模激光特性研究70-95
• 4.1 石墨烯调Q激光理论研究70-76
• 4.1.1 速率方程的建立与求解70-74
• 4.1.2 石墨烯调Q脉冲的产生过程74-76
• 4.2 石墨烯调Q激光实验研究76-80
• 4.2.1 增益介质76-77
• 4.2.2 实验装置77-78
• 4.2.3 结果与讨论78-80
• 4.3 石墨烯锁模激光理论研究80-86
• 4.3.1 Haus方程80-82
• 4.3.2 石墨烯稳定锁模的阈值条件82-84
• 4.3.3 调Q锁模与多脉冲调制84-86
• 4.4 石墨烯锁模激光实验研究86-94
• 4.4.1 增益介质86-88
• 4.4.2 实验装置88-91
• 4.4.3 结果与讨论91-94
• 4.5 本章小节94-95
• 第五章 基于石墨烯全固态柱矢量光调Q、锁模激光器95-109
• 5.1 腔型原理95-98
• 5.1.1 热致双折射与双焦热透镜效应95-96
• 5.1.2 谐振腔稳区偏振选择96-98
• 5.2 基于石墨烯全固态柱矢量光调Q激光器98-104
• 5.2.1 实验装置98-100
• 5.2.2 结果与讨论100-104
• 5.3 基于石墨烯全固态柱矢量光锁模激光器104-108
• 5.3.1 实验装置104-105
• 5.3.2 结果与讨论105-108
• 5.4 本章小结108-109
• 第六章 总结与展望109-112
• 6.1 研究工作及创新总结109-110
• 6.2 展望110-112
• 参考文献112-125
• 攻读博士学位期间取得的科研成果125-127
• 致谢127-128

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