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基于金纳米棒和硫化铜纳米晶可饱和吸收体的脉冲光纤激光器的研究

【摘要】:脉冲光纤激光器具有结构紧凑、环境稳定性好、成本低廉等优点,目前光纤激光器在通信、医疗外科手术、工业焊接、工业切割、国防空间对抗等诸多领域都有着广泛的应用。可饱和吸收体是被动调制脉冲光纤激光器的关键器件。目前,常用的可饱和吸收体有半导体可饱和吸收镜(SESAMs)、碳纳米管可饱和吸收体(CNT)、二维材料可饱和吸收体等。我们实验组首次利用金纳米材料的表面等离子共振吸收的光学特性,在光纤激光器中实现了脉冲激光的输出。同时金纳米材料也具有较高三阶非线性系数、超快的响应时间、制作成本低廉等优点,被认为是一种理想的饱和吸收体材料。但是,金纳米材料具有很强的光热效应,当长时间运转或者在高功率激光中运转时,热累积会使得材料发生较为明显的形变,这样缩短可饱和吸收体的使用寿命,也限制了材料在较高功率激光器中的应用。因此,改良金纳米棒可饱和吸收体的结构和探索新型的可饱和吸收体是很有意义的。在硕士研究生期间,作者围绕基于金纳米棒和硫化铜纳米晶可饱和吸收体的脉冲光纤激光器进行了系统的研究。研究成果如下:(1)通过大量的研究发现,在拉锥光纤中存在消逝场效应,利用消逝场效应与材料相互作用也具有与可饱和吸收体同样的性质,该结构可以减弱由光热效应引起的热累积。基于以上理论基础,作者提出了拉锥光纤与金纳米棒复合的可饱和吸收体器件。在实验上制作了该种复合结构可饱和吸收体,并成功在掺铥光纤激光器中实现了锁模脉冲激光的输出,脉冲宽度为404 fs,重复频率为25.66MHz,最大输出功率为45.53 mW,该结果与利用“三明治结构”的金纳米棒可饱和吸收体实现的锁模脉冲激光的最大输出功率相比,有着8倍左右的性能提升。(2)通过研究发现,硫化铜纳米晶材料也具有局域表面等离激元的性质,这与金纳米棒的性质类似。对比金纳米棒材料,硫化铜纳米晶材料的尺寸更小,约为10 nm左右,小尺寸可以有效地减弱光热效应,有利于可饱和吸收体的长期稳定运转,同时也有利于实现较高功率脉冲光纤激光器的搭建。基于综上研究,作者提出利用硫化铜纳米晶作为可饱和吸收体实现脉冲激光输出的实验方案。在实验中使用羧甲基纤维素钠作为成膜剂制作了硫化铜纳米晶可饱和吸收体薄膜,并研制出1.56μm波段的调Q掺铒光纤激光器。为了验证相比于金纳米棒可饱和吸收体,硫化铜纳米晶可饱和吸收体的损伤阈值有大幅度提升,我们测试了浓度相同,厚度相同的样品。测试结果表明,在同等条件下,基于硫化铜纳米晶可饱和吸收体的调Q激光器的最大输出功率是基于金纳米棒可饱和吸收体的调Q激光器的最大输出功率3~4倍。

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