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二维材料可饱和吸收体锁模光纤激光器的研究

【摘要】:可饱和吸收体(SA)锁模光纤激光器具有诸多优势,如泵浦阈值低、波长范围宽、超快恢复时间、制备简单、设计灵活紧凑、易于光纤集成兼容等,因此,其不仅是超快光通信中的重要光源,而且广泛应用于高速光纤通信系统的各个方面,有望在市场上替代其他各类光纤激光器。本文围绕利用SA来实现被动锁模的光纤激光器开展了相关的理论研究、数值仿真和实验研究。在理论研究方面,我们阐述了SA锁模光纤激光器中的光纤的色散效应、非线性效应、增益效应和双折射效应对激光输出特性的影响;基于麦克斯韦方程组,重新推导了单模光纤中激光脉冲的传输方程——非线性薛定谔方程(NLSE)和增益光纤中激光脉冲的传输方程——金兹堡-朗道方程(GLE)的建立过程;建立可饱和吸收体在SA锁模光纤激光器中的物理模型。在数值仿真方面,我们利用分步傅里叶算法求解NLSE和GLE,构建SA锁模光纤激光器的仿真系统模型,利用Matlab进行仿真运算,模拟仿真并讨论激光器谐振腔参数对激光输出特性的影响。我们发现为得到功率高、脉宽窄的激光输出,增加或减小单模光纤和增益光纤的长度是无效的,应找到最优值,但是通过提高泵浦光的光功率和提高可饱和吸收体的调制深度,可以得到高功率的激光输出。虽然数值仿真的结果与实验的结果有一定差异,但是通过数值仿真,我们可以得到实验过程中某些参量的变化对实验结果的影响趋势,这对实验工作有着重要的指导意义。以上仿真结果表明我们在激光器的设计过程中需要合理地选择相关的参数,以获得优化过的锁模激光输出。在实验研究方面,针对二维材料和锁模方式的多样化,我们分别利用三种不同的制作方案对硒化铋(Bi_2Se_3)、二硫化钼(MoS_2)和石墨烯进行实验,研究不同材料锁模器件的输出特性,分析各种方法的优缺点。由于工艺的原因,机械剥离法制作的石墨烯薄膜锁模器件并未获得很好的结果。而利用MoS_2/PVA薄膜和Bi_2Se_3拉锥光纤实现了很好的皮秒量级锁模激光输出。在使用MoS_2/PVA薄膜和Bi_2Se_3拉锥光纤作为锁模器件的过程中,我们通过恰当地改变泵浦光的光功率和激光器谐振腔内光脉冲的偏振态,实现亮脉冲,暗脉冲和亮暗脉冲对之间的切换、可调重复频率的暗脉冲锁模激光输出、脉宽可调谐的暗脉冲锁模激光输出和多波长锁模激光输出。以上实验结果表明SA锁模光纤激光器可以实现多样性的的激光脉冲输出。

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