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碳纳米材料可饱和吸收器件的制备及其应用研究

【摘要】:超短脉冲能够应用于瞬态成像、高速光通信、生物诊断、光谱检测、工业加工等领域,而被动锁模光纤激光器是超短脉冲产生研究的热点方向,被认为能够在未来替代目前常用的固体激光器。近年来,单壁碳纳米管(SWNT)和石墨烯等碳纳米材料被用来制备可饱和吸收器件,相比传统锁模方式,其在饱和强度、损伤阈值、集成方式、成本等各方面均有优势,为被动锁模光纤激光器的发展提供了支持。此外,受到石墨烯研究的启发和影响,其他二维材料的非线性光学特性也受到广泛关注。本论文主要基于碳纳米材料和二维过渡金属硫族化合物制备了高效的可饱和吸收器件,实现了新型被动锁模光纤激光器,比如:分布式超快光纤激光器、脉冲特性灵活可调的锁模光纤激光器、双向运转锁模光纤激光器等,获得了具有不同特性的超短脉冲输出,并重点从实验上研究了激光器中脉冲的演化和输出特性。论文的主要研究成果如下:1.在SWNT锁模光纤激光器中,研究发现调节腔内损耗能够实现波长在1530nm和1560 nm间的调谐,通过腔内损耗与增益竞争的平衡实现了双波长锁模脉冲的输出,并获得了波长可转换的相位锁定束缚态脉冲,其脉冲间相位由光谱边带位置来决定。利用光纤光栅搭建了带宽和波长灵活可调的滤波系统,在SWNT锁模光纤激光器中实现了输出脉冲特性的灵活可调,激光器的输出脉冲宽度可以在~7 ps到150 ps间调节,中心波长的调谐范围大于20nm。2.基于SWNT锁模器件,提出了一种分布式超快光纤激光器(DUFL),其不同于具有固定腔长的传统超快光纤激光器,DUFL中不同波长传播的距离不同,其腔长随脉冲波长呈线性变化;其输出脉冲具有增强的光谱边带,在时域上表现出明显的脉冲特征;由于波长的差异,不同边带对应的腔长有很大区别,但表现出相同的重复频率;这是由于DUFL中脉冲的产生是腔内SWNT锁模器件、光纤内非线性效应、色散以及增益和损耗等过程综合作用的结果。3.利用液相制备过程中石墨烯和SWNT的自组装,制备了混合碳纳米材料可饱和吸收器件,SWNT和石墨烯之间可以相互阻隔,防止它们在制备过程中的团聚;测量了混合碳纳米材料的光学特性,发现其具有两级的可饱和吸收特征,能够实现自启动、抗干扰、噪声抑制比大、脉冲能量高的被动锁模光纤激光器。4.基于制备的混合碳纳米材料锁模器件,搭建了新型锁模光纤激光器,获得了传统孤子、耗散孤子、类噪声脉冲等不同特性脉冲的输出。首先,通过色散管理在搭建的双向锁模光纤激光器中构成两个传输方向和色散相反的路径,在锁模光纤激光器的正反方向上分别实现了传统孤子和耗散孤子的输出。其次,利用啁啾光纤光栅搭建了级联的光纤激光系统,啁啾光纤光栅为两谐振腔提供大小相同、符号相反的色散,在级联激光器中同时获得了传统孤子和耗散孤子,其表现出不同的脉冲特性。最后,利用啁啾光纤光栅在腔内搭建无色散的滤波装置,实现了带宽可调谐的耗散孤子和类噪声脉冲,研究了耗散孤子光纤激光器中的光谱滤波效应,发现了类噪声脉冲的退化现象。5.实验研究了两种过渡金属硫族化合物的非线性光学特性,及其在光纤激光器中的应用。首先,将CVD法制备的二硫化钼(Mo S2)包裹到微纳光纤上,增强了Mo S2与光场的相互作用,克服了二硫化钼激光损伤阈值低的缺点。在掺铒光纤激光器中利用制备的Mo S2锁模器件,在负色散、近零色散、正色散条件下分别获得了传统孤子、色散管理孤子和耗散孤子。其次,实验研究发现二硫化铼(Re S2)对TE和TM偏振光具有不同的光学响应特性,覆有Re S2的D型光纤表现出偏振相关吸收,但在不同偏振方向上的非线性吸收表现出相似的调制深度和饱和通量。将二硫化铼应用于光纤激光器中,可以获得自启动的锁模脉冲运转。

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