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基于二维原子晶体的被动调Q光纤激光器研究

【摘要】:被动调Q光纤激光器由于其高光束质量、高稳定性、高能量、系统简单等优点,在光通信、光传感、生物诊断、工业加工、国防等领域有广泛的应用。可饱和吸收体是被动调Q光纤激光器中的关键器件,它要求非线性材料具有大的工作带宽、快的响应和低的损耗。目前,半导体可饱和吸收镜(SESAM)是应用最为广泛的可饱和吸收体,其调制深度、饱和通量等参数可以精确控制,但是其制作工艺复杂,价格昂贵,而且工作波长范围较窄。随着新材料技术的发展,碳纳米管独特的光电和非线性光学性质引起研究人员的广泛关注。但是研究发现,其调制深度较小,损伤阈值低,并且其带隙大小由其直径和手性决定,需通过精确地调控管径分布以获得所需波段的可饱和吸收。二维原子晶体材料作为一类崭新的材料,它们具有独特的电学、光学、机械特性和非线性光学特性,其在光纤激光器中作为可饱和吸收体,在脉冲激光产生方面具有优异的特性。二维原子晶体材料是指以石墨烯为代表的单原子层及少数原子层厚度的晶体材料。本论文基于石墨烯和拓扑绝缘体材料可饱和吸收体,研究其非线性光学特性及其在被动调Q激光产生方面的应用。具体的研究成果总结如下:第一,基于石墨烯可饱和吸收体和级联的Bragg光纤光栅,实现了波长间距为0.8 nm的双波长被动调Q掺Er光纤激光输出。通过调节偏振控制器,可以实现1542.9 nm和1543.7 nm单波长的调Q激光输出。这种方法为实现窄波长间距的脉冲激光光源提供了一种简易方法。其中,级联光纤光栅易于实现波长扩展,而石墨烯的高非线性有益于获得稳定的多波长激光输出。第二,基于拓扑绝缘体可饱和吸收体,实验获得了百纳秒量级的被动调Q光纤激光输出。通过缩短谐振腔长度,并优化制备拓扑绝缘体可饱和吸收体,实验获得了最小脉冲宽度为217.6ns,重复频率177.7 kHz,平均功率1.33 mW的调Q激光输出。这是迄今文献报道基于拓扑绝缘体材料获得的最短调Q脉冲激光输出。第三,基于倏逝波耦合机制,实现了全光纤的拓扑绝缘体被动调Q光纤激光器激光输出。通过优化拉锥光纤参数,结合光学沉积方法,制备获得了基于倏逝波耦合机制的饱和吸收器件。非线性光学测量结果表明该饱和吸收器件具有优异的非线性吸收性能。通过将该饱和吸收器件集成到光纤激光谐振腔中,获得了波长1543.2 nm,重频在2.6 kHz~12kHz之间变化,脉冲宽度在50 μs~9μs之间变化的调Q激光输出。第四,基于拓扑绝缘体可饱和吸收体,实现了窄线宽的调Q光纤激光输出。通过优化线性谐振腔结构和拓扑绝缘体可饱和吸收体的非线性吸收参数,实验获得了光谱宽度小于0.06 nm,重复频率为28.5 kHz,脉冲宽度为565.2 ns的调Q光纤激光输出。

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