基于重掺半导体纳米晶的可饱和吸收体及脉冲激光器

发布时间：2017-12-31 23:13

本文关键词：基于重掺半导体纳米晶的可饱和吸收体及脉冲激光器　出处：《浙江大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：光通讯、生物医学、军事对抗、基础研究、材料精细加工等领域的快速发展离不开脉冲激光光源这一工具的进步。正如人类社会发展的一般规律,技术的发展反过来对工具提出了更高的要求。脉冲光源的需求正朝着超短,高功率、高重频、多波长等方向发展。脉冲激光器主要依赖其中的可饱和吸收体产生激光脉冲,但是目前商用的可饱和吸收体-半导体可饱和吸收镜(SESAM)-由于自身的局限,已经越来越难以满足发展的需求,因此亟需开发新型可饱和吸收体器件。本文基于脉冲光源的发展趋势,以开发新型可饱和吸收体器件为导向,提出了一种基于重掺杂半导体纳米晶局域表面等离子体共振(LSPR)吸收效应的可饱和吸收体的概念;开发出了硫化物和氧化物两种体系的材料作为可饱和吸收体;系统研究了其非线性光学吸收性质和超快的载流子响应特性;基于硫化物纳米晶LSPR宽带吸收效应,发现了覆盖0.8-3.0μm的超宽带可饱和吸收响应,进一步成功实现了覆盖1.0 μm到3.0 μm的超宽带可饱和吸收体器件应用;基于重掺杂氧化物纳米晶介电常数近零区(Epsilon-near-zero,ENZ)的优异的非线性光学响应实现了光通讯波段的可饱和吸收体器件应用。本文的工作主要包含以下几个部分:1.系统研究了偏离化学计量比的Cu_(2-x)S纳米晶的非线性光学性质及其超快载流子响应特性。Z扫描测试结合理论计算显示Cu_(2-x)S纳米晶在其LSPR吸收峰1300 nm附近的非线性吸收系数β高达～-161 cm/GW,三阶非线性极化率的虚部为ImX(3)=-1.39×10-10esu,品质因子FOM=3.79×10~(-15)esu cm,并且光调制深度高达63.3%,这些非线性光学参数都明显优于近年来兴起的石墨烯、过渡金属二硫化物、黑磷等二维可饱和吸收体材料;进一步宽带非线性光学测试发现,Cu_(2-x)S纳米晶的非线性吸收调制深度与其LSPR线性吸收强度呈对应关系,LSPR峰位处调制深度达到最大值,且Cu_(2-x)S纳米晶具有与其LSPR宽带吸收对应的超宽带非线性可饱和吸收特性。超快光谱测试结果表明,Cu_(2-x)S纳米晶的载流子衰减包含两个过程:一个对应于电子-声子相互作用的快速衰减过程,其时间常数为～315 fs;另一个对应于声子-声子相互作用的慢速衰减过程,其时间常数为～34ps。与贵金属纳米颗粒相比,Cu_(2-x)S纳米晶的载流子快态和慢态恢复速度都快了一个数量级。2.首次基于Cu_(2-x)S纳米晶作为可饱和吸收体构建了可超宽带工作的可饱和吸收体器件,充分展示了 Cu_(2-x)S纳米晶作为超宽带可饱和吸收体的能力。构建了:1)1.5 μm波段的锁模光纤激光器,获得了中心波长为1562.6 nm,重频为7.28 MHz,脉宽为295 fs、信噪比为50 dB的稳定的锁模激光脉冲,激光稳定性I测试表明,两个小时内激光光谱几乎没有变化;2)1.0 μm波段的锁模固体激光器,获得了中心波长为1030 nm,重频为84.17 MHz,脉宽为7.8 ps、信噪比为60 dB的稳定的锁模激光脉冲;3)3.0 μm波段的调Q光纤激光器,获得了中心波长为2769 nm,最短脉宽为0.75μs,最大平均输出功率214 mW,最大重频90.7 kHz的调Q激光脉冲输出。3.提出基于铜硫族化合物纳米晶LSPR吸收峰位宽带可调谐特点构建光学参数可调的可饱和吸收体器件的概念。通过控制掺杂条件实现纳米晶中的载流子浓度在9.7×10~(21) cm~(-3)到3.18×10~(21) cm~(-3)内可控调节,相应的LSPR吸收峰在800nm到1500 nm波长范围内调节。通过控制Sn的掺杂浓度,将Cu-Sn-S纳米晶的LSPR吸收峰可以从1350 nm调节到光通讯波段1550 nm附近,并研究了其在1550 nm处的非线性光学吸收性质,发现具有优异的可饱和吸收效应,光学调制深度达到52.6%,并且Sn的引入可以进一步提高载流子的恢复速度,使其快态衰减时间常数从315 fs降到266 fs;基于Cu-Sn-S纳米晶可饱和吸收体在1.5 μm的Er掺杂光纤激光器中实现了飞秒激光脉冲输出,激光稳定性测试表明,在10小时的连续工作状态下,激光器能够保持稳定输出,且性能无明显衰减。4.研究了 ITO胶体纳米晶在ENZ区域的的非线性光学吸收性质及其超快的载流子响应特性,并首次将其制备成可饱和吸收体器件集成于激光器中获得激光脉冲输出。Z扫描测试表明ITO纳米晶在ENZ区域具有优异的可饱和吸收性能,其非线性吸收系数高达～-50cm/GW。超快光谱测试发现,ITO纳米晶在ENZ处的调制深度达到160%,载流子的衰减过程在～450 fs内几乎全部完成,衰减时间常数约为100 fs,表明ENZ区域的ITO纳米晶具有超快、超灵敏的全光调制性能。基于ENZ区域在1.5 μm处的ITO纳米晶作为可饱和吸收体集成于Er掺杂光纤激光器中实现了脉宽达593 fs的锁模激光脉冲输出。
[Abstract]:In this paper , a novel saturable absorber device is developed , which is based on the general rule of the development of human society and the development of technology . A stable mode - locked laser pulse with a center wavelength of 1562.6 nm , a repetition frequency of 7.28 MHz , a pulse width of 295 fs and a signal - to - noise ratio of 50 dB is obtained . Z - scan test shows that ITO nanocrystalline has excellent saturable absorption performance in ENZ region , and its non - linear absorption coefficient is up to ~ -50 cm / GW . The ultra - fast spectral test shows that ITO nanocrystals are almost all completed at ENZ . The attenuation time constant is about 100 fs . The ITO nanocrystals at 1.5 渭m are integrated into Er - doped fiber laser based on ENZ region .

【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN248

【参考文献】