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新型二维硫系化合物在脉冲光纤激光器中的应用研究

【摘要】:脉冲光纤激光器具有结构紧凑、易于集成、光束质量好和稳定性高等优点,受到了研究者们的广泛关注。目前,能将连续光纤激光器转换成脉冲光纤激光器的技术主要有调Q技术和锁模技术。调Q技术一般可以获得脉宽为纳秒或者微秒量级的脉冲光纤激光器,这种激光器的脉冲能量高,可以用在工业上的激光打标、激光清洗和激光喷丸等领域;相比调Q技术,锁模技术则可以获得皮秒或者飞秒量级的脉冲光纤激光器,这种激光器脉宽超窄,峰值功率高,可以用在医学手术、光谱学、超精密加工和精密测距等领域。被动调Q和锁模是获得脉冲光纤激光输出的重要方法。其中,以可饱和吸收体(SA)作为光学调制器运用在光路中来获得脉冲激光输出,受到了广泛的研究。半导体可饱和吸收镜(SESAM)是目前比较成熟的商用可饱和吸收体。SESAM最大的优点是性能稳定,但同时也存在诸多缺点,包括复杂的制备过程、价格昂贵、工作波长窄、损伤阈值低等等。因此,对于新型可饱和吸收材料的研究引起了广泛关注。随着可饱和吸收体研究的不断发展,越来越多材料被发现具有可饱和吸收体特性,包括了碳纳米管(CNTs)、石墨烯(Graphene)、黑磷(BP)、过渡金属硫族化物(TMDs)、拓扑绝缘体(TIs)和二维过渡金属碳化物或者碳氮化物(Mxenes)等等。其中,二维层状材料可饱和吸收体由于具有易制作、成本低、工作波段宽和光学响应时间快等特点已经被广泛应用于脉冲光纤激光器中,并能获得性能优异的脉冲激光输出。不过这些材料也存在一些缺点,比如石墨烯的吸光弱和调制深度差、黑磷在空气中的不稳定性、TMDs材料相对较长的激子恢复时间、拓扑绝缘体的制作成本高等等。为了获得性能更全面、稳定的可饱和吸收体,对于新型可饱和吸收材料的研究开发工作具有重要意义。本文研究了硒化铂(PtSe2)、硫化铼(ReS2)和硫化锡(SnS2)等几种新型二维硫系化合物的可饱和吸收特性,并研究了这些材料在脉冲激光器中的应用,具体的研究内容如下:(1)提出了一种新型的光沉积法,成功制备出基于硒化铂的可饱和吸收体,并运用在了 1μm光纤激光器中,实现了锁模脉冲激光输出。现有报道的光沉积过程一般是在液体环境下进行的,而本实验则是在非液体环境完成了光沉积过程。通过简单的硒化法,可以在石英基底上制备出垂直生长的PtSe2薄膜。所制备的PTSe2生长均匀且结晶性好,薄膜厚度约为24nm。利用聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)可以将PtSe2薄膜样品从石英上转移下来,制备出PtSe2/PMMA双层复合膜。将PtSe2/PMMA复合膜放入自制的光沉积系统,通过光梯度力的作用,可以将复合膜表面的片状PtSe2沉积到光纤端面,制备出PtSe2可饱和吸收体。该可饱和吸收体直接运用在掺镱光纤激光器中,成功获得了锁模脉冲输出,中心波长、脉冲宽度和脉冲频率分别为1067.5 nm、1.9 ns和 4.45MHz。(2)用一些低成本的方法制备出硫化铼(ReS2)可饱和吸收体并将其运用于掺铒光纤激光器中,分别实现了调Q和锁模脉冲激光输出。通过简单的化学合成法,可以将硫粉和铼粉合成为硫化铼(ReS2)粉末样品,通过XRD和Raman表征,发现所制得的ReS2样品具有二维层状结构且结晶性好。通过液相剥离法,可以将硫化铼粉末制备成ReS2纳米片分散液,纳米片的尺寸在200 nm以下,厚度约为3~4 nm。将分散液和4wt%聚乙烯醇(PVA)溶液混合,可以制备出ReS2/PVA薄膜可饱和吸收体。通过改变可饱和吸收体的制备工艺参数和激光器腔长,可以在掺铒激光器中分别获得调Q或者锁模脉冲激光输出。其中,所获得的调Q脉冲的脉冲重复频率可以在56.8 KHz到73.5 KHz之间变化,而脉冲宽度则可以在9.74 μs到2.4 μs之间变化,最大脉冲能量为18.88 nJ。所获得的锁模脉冲信号具有很高的稳定性,脉冲重复频率为7.2 MHz,最大输出功率为6.12 mW,最大脉冲能量为0.85 nJ.(3)首次用飞秒脉冲激光器研究了硫化锡(SnS2)纳米片薄膜的非线性光学响应。采用简单的硫化法,可以在透明的石英片上制备出垂直生长的SnS2纳米片薄膜。所制备的SnS2具有很好的二维层状结构,结晶性好,单个纳米片的厚度约为18.4nm。采用配备了飞秒脉冲激光器的Z探测平台对SnS2纳米片薄膜样品的非线性响应进行了测试,结果发现所制备的SnS2纳米片薄膜具有很好的可饱和吸收特性,其调制深度和可饱和吸收强度分别为11.7%和1.9 MW/cm2,非线性系数β为-(1.24±0.12)×103 cm/MW。其在飞秒脉冲激光器领域具有潜在的应用前景。

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