【摘要】：中紅外3μm屬于“人眼安全”激光波段,且處于“分子指紋”光譜范圍,在痕量氣體檢測、氣象分析預(yù)測、軍事光電對抗、紅外遙感探測等技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。與連續(xù)激光相比,具有高脈沖能量和峰值功率的3 μm調(diào)制脈沖激光更受科研及應(yīng)用領(lǐng)域的青睞。其中,由于與水分子存在強相互作用,3 μm超快脈沖激光可以用于人體組織微創(chuàng)手術(shù)的實施,是眼科、神經(jīng)外科、泌尿科、牙科及軟組織切割縫合等生物醫(yī)療領(lǐng)域的理想激光光源。同時,高強度3 μm脈沖激光可以用于3-19 μm中長波激光、中紅外光學(xué)參量振蕩、超連續(xù)光譜及太赫茲波的泵浦產(chǎn)生。本文首先基于密度泛函理論對過渡金屬硫化物、黑磷、石墨相氮化碳等新型二維納米材料的電子能帶結(jié)構(gòu)進行了模擬計算,分析材料在3 μm波段存在光學(xué)響應(yīng)的可能性;進而制備了基于新型二維納米材料的可飽和調(diào)制元件,并對其微觀結(jié)構(gòu)、形貌及其在3 μm波段的線性與非線性吸收特性進行了系統(tǒng)的表征測試,論證其用于3 μm激光調(diào)制的可行性;最后將新型二維可飽和調(diào)制元件分別應(yīng)用于Er3+與Ho3+摻雜的全固態(tài)3 μm激光系統(tǒng),實現(xiàn)調(diào)Q運轉(zhuǎn),分析激光輸出特性,驗證新型二維可飽和調(diào)制元件在中紅外3 μm激光系統(tǒng)中的實用性。論文主要研究內(nèi)容如下:1.基于第一性原理密度泛函理論,使用不同交換關(guān)聯(lián)泛函及相關(guān)修正方法,先后模擬分析2H相典型結(jié)構(gòu)過渡金屬硫化物(MoS2、WS2)、1T相扭曲結(jié)構(gòu)過渡金屬硫化物(ReS2)、摻雜及含硫族元素晶格缺陷過渡金屬硫化物合金(MoWS2)的電子能帶結(jié)構(gòu),探討分析過渡金屬硫化物在3 μm波段存在光學(xué)響應(yīng)的理論可能。2.使用不同交換關(guān)聯(lián)泛函模擬分析黑磷的電子能帶結(jié)構(gòu),評估單層及塊體黑磷的禁帶寬度,驗證黑磷的光學(xué)寬譜吸收特性。3.構(gòu)建分析石墨相碳化氮的兩種可能結(jié)構(gòu)單元,選擇合理模型進行電子能帶結(jié)構(gòu)分析,并模擬分析氮原子空位缺陷對石墨相氮化碳電子能帶結(jié)構(gòu)及光學(xué)響應(yīng)范圍的影響。4.分別使用化學(xué)氣相輸運法和熱聚合法生長獲得塊體MoWS2與石墨相碳化氮粗粉末樣品;使用液相剝離法對塊體M0S2、ReS2、MoWS2、黑磷、石墨相碳化氮樣品進行分離剝層;使用滴涂、旋涂、垂直蒸發(fā)等方法制備在3μm波段具備應(yīng)用潛力的可飽和調(diào)制元件。5.利用X射線衍射、能量色譜、電感耦合等離子光譜、拉曼光譜、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡等表征檢測技術(shù)對新型二維納米材料樣品的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分及形貌尺寸進行實驗表征;使用紫外-可見-近紅外分光光度計及自搭建的3 μm脈沖激光源對新型二維可飽和調(diào)制元件樣品在3 μm波段的線性及非線性吸收特性進行測試分析,探究樣品在3 μm波段所具有的可飽和吸收特性。6.實驗搭建半導(dǎo)體激光二極管泵浦的Er:Lu2O3、Er:SrF2及Ho,Pr:LuLiF4 3μm激光系統(tǒng),測試分析其連續(xù)運轉(zhuǎn)輸出特性,尋求實現(xiàn)高功率高效率Er3+全固態(tài)3 μμm連續(xù)激光器的研究突破,探究驗證Ho3+、Pr3+共摻晶體在3μm激光應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿Α?.首次將基于MoS2、MoWS2、ReS2及石墨相氮化碳等新型二維材料的可飽和調(diào)制元件用于3 μm波段的激光調(diào)制,首次實驗探究對比原子層數(shù)對黑磷在3 μm波段可飽和調(diào)制特性的影響。使用新型二維可飽和調(diào)制元件追求脈寬更窄、能量更高的3 μm調(diào)Q激光輸出。本文通過完備的理論與實驗研究,探究過渡金屬硫化物、黑磷、石墨相碳化氮等新型二維納米材料在3 μm波段的可飽和吸收特性,期望獲得制備方式簡單、價格成本低廉、調(diào)制參數(shù)可控的新型3 μm光調(diào)制元件,為中紅外3 μm脈沖及超快激光的研究發(fā)展提供支持。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.1
【圖文】：

光器的發(fā)展。逡逑１．１．３邐Ｅｒ３．摻雜３蚪ｍ激光逡逑如圖１．２所示，Ｅｒ＾能級結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，存在多個影響激光上Ｃ＾／小下（％／２）逡逑能級粒子布居的能量轉(zhuǎn)移過程。使用發(fā)射波長在９８０邋ｎｍ附近的泵浦光可以將Ｅｒ３＋逡逑的基態(tài)（４／／Ｖ２）粒子直接抽運至激光上能級Ｃ＾ｗ），然而，激光上能級（Ｖ／ｗ）粒子逡逑可能繼續(xù)經(jīng)歷激發(fā)態(tài)吸收（Ｅｘｃｉｔｅｄ邋Ｓｔａｔｅ邋Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ，邋ＥＳＡ）過程而躍遷至更高能級逡逑（Ｗ／２），不利于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實現(xiàn)。２０１２年，Ｔ．邋Ｌｉ等人發(fā)現(xiàn)，Ｅｒ＾摻雜濃度的升高逡逑和泵浦源波長的選擇優(yōu)化可以抑制ＥＳＡ過程ＰＩ逡逑Ｅｒ３＋能級間存在兩組能量上轉(zhuǎn)換（Ｅｎｅｒｇｙ－Ｔｒａｎｓｆｅｒ邋Ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，邋ＥＴＵ）過程：逡逑ＥＴＵＩ過程４／／３／２￣＾＂９／２）可以有效減少激光下能級（＾／／於）的粒子布逡逑居數(shù)；同時—邐過程中，躍遷至的粒子會再次快速躍遷至激光上能級逡逑因此ＥＴＵ邋１完全有利于幫助激光上下能級實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。ＥＴＵ邋２過程逡逑Ｃ７＂／２邋—Ａｗ邋—N希玻┙跋旒す饃夏薌叮∟希蓿┑牧Ｗ郵郟煥諏Ｗ渝義鮮醋慕�。辶x希牛睿澹潁紓

本文編號：2737520