【摘要】：被動鎖模光纖激光器不僅擁有非常窄的脈沖寬度、極高的峰值功率及寬的光譜,而且具有成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、無需調(diào)試及效率高等優(yōu)勢,使得其在超快診斷、飛秒加工、生物醫(yī)學(xué)及激光雷達(dá)等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。隨著納米技術(shù)及新材料的不斷發(fā)展,新型二維材料用于光纖激光器被動鎖模已經(jīng)成為當(dāng)前激光領(lǐng)域的一個重要焦點。繼單壁碳納米管、石墨烯及拓?fù)浣^緣體之后,新型二維材料過渡金屬硫化物近年來引起科學(xué)家們強烈的興趣。二硫化鎢(Tungsten Disulfide,WS_2)作為過渡金屬硫化物中比較有代表性的一種材料也受到極大的關(guān)注。WS_2優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)的特性如超快的恢復(fù)時間和超寬帶的飽和吸收等,使其在超快激光方面擁有非常廣泛的應(yīng)用前景。本論文以新型二維材料WS_2被動鎖模摻鉺光纖激光器為研究平臺,實驗上探索基于WS_2材料鎖模新器件的應(yīng)用價值。本論文的主要工作內(nèi)容如下:1.介紹了被動鎖模光纖激光器的研究進(jìn)展,并詳細(xì)介紹了被動鎖模技術(shù)的幾種方式如非線性偏振旋轉(zhuǎn)(Nonlinear Polarization Rotation,NPR)鎖模技術(shù)、“8”字腔鎖模技術(shù)、碳納米管和石墨烯、新型二維納米材料等。2.分析了WS_2材料的基本能帶結(jié)構(gòu),描述了WS_2飽和吸收的基本過程和原理。對激光鎖模脈沖形成機制做了理論分析,概括了影響激光鎖模的幾個關(guān)鍵因素。3.運用脈沖激光沉積法(Pulsed Laser Deposition,PLD)法制備WS_2可飽和吸收體(Saturable Absorber,SA),在實驗中SA的飽和吸收特性表現(xiàn)出厚度相關(guān)性,且SA器件具有較低的插入損耗(Insertion Loss,IL)和良好的功率承受能力。在摻鉺光纖激光器中,泵浦功率為54 mW時實現(xiàn)了穩(wěn)定的基頻鎖模激光輸出,脈沖的持續(xù)時間為675 fs,信噪比達(dá)65 dB。在395 mW的最大泵浦功率下,脈沖持續(xù)時間縮短到452 fs而信噪比也達(dá)到48 dB。此時高階諧波鎖模的重復(fù)頻率為1.04 GHz,對應(yīng)于53階諧波。4.將WS_2納米片分散液填充到單模光子晶體光纖(Photonic Crystal Fibers,PCF)中,制備一種超精細(xì)的可飽和吸收體。通過對SA進(jìn)行表征,測得可飽和吸收體的調(diào)制深度、飽和強度及非飽和損耗分別為3.53%、159 MW/cm2和23.2%�；谥苽浜玫木�(xì)SA,搭建了一個摻鉺光纖(Er-doped Fiber,EDF)激光器平臺以檢驗所制備的可飽和吸收體的鎖模性能。實驗中,EDF激光器實現(xiàn)了激光鎖模并獲得了524 fs脈沖輸出和19.57 MHz的重復(fù)頻率,脈沖的信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)達(dá)60.5dB。5.介紹了光纖集成型WS_2-SAM的具體結(jié)構(gòu)、制備方法及在摻鉺光纖線形激光器中的鎖模特性。通過搭建一套摻鉺光纖線形激光器對制備樣品的鎖模特性進(jìn)行了表征。實驗結(jié)果表明在搭建的摻鉺光纖激光器中WS_2-SAM能夠?qū)崿F(xiàn)激光自鎖模。鎖模脈沖受到Q調(diào)制的影響,實驗中測得的調(diào)Q脈沖的信噪比為40 dB。實驗證明這種器件用于實現(xiàn)激光鎖模的可行性,且后期具有很大的優(yōu)化空間。
[Abstract]:Passive mode-locked fiber laser not only has very narrow pulse width, extremely high peak power and wide spectrum, but also has the advantages of low cost, compact structure, no need of debugging and high efficiency. Biomedicine, lidar and other fields have a very wide range of applications. With the development of nanotechnology and new materials, the application of new two-dimensional materials in passive mode-locking of fiber lasers has become an important focus in the field of lasers. Following single-walled carbon nanotubes, graphene and topological insulators, transition metal sulfides, a new two-dimensional material, have attracted great interest in recent years. As a representative material of transition metal sulfides, Tungsten disulfide has attracted great attention. WS2 has excellent electrical and optical properties such as ultra-fast recovery time and ultra-wideband saturation absorption. It has a very wide application prospect in ultra fast laser. In this paper, a novel two-dimensional WS_2 passive mode-locked erbium-doped fiber laser is used as the research platform, and the application value of the new device based on WS_2 is explored experimentally. The main work of this thesis is as follows: 1. The research progress of passive mode-locked fiber laser is introduced. Several methods of passive mode-locking such as nonlinear polarization rotation (Nonlinear Polarization rotation NPR mode-locking, "8" word cavity mode-locking, carbon nanotubes and graphene are introduced in detail. New two-dimensional nanomaterials, etc. The basic band structure of WS_2 material is analyzed and the basic process and principle of WS_2 saturation absorption are described. The mechanism of laser mode-locking pulse formation is theoretically analyzed, and several key factors affecting laser mode-locking are summarized. WS_2 saturable absorbers (Saturable Absorber SA) were prepared by pulsed laser deposition (Pulsed Laser deposition) method. In the experiment, the saturation absorption characteristics of SA show a thickness correlation, and the SA devices have low insertion loss (Insertion osssil) and good power tolerance. In Erbium-doped fiber laser, stable fundamental frequency mode-locked laser output is achieved when the pump power is 54 MW. The duration of the pulse is 675 fs and the signal-to-noise ratio (SNR) is 65 dB. At the maximum pump power of 395 MW, the pulse duration is reduced to 452 fs and the SNR is 48 dB. The repetition rate of higher order harmonic mode-locking is 1.04 GHz, corresponding to 53rd order harmonic. 4. A kind of hyperfine saturable absorber was prepared by filling the dispersion of WS_2 nanoscale into (Photonic Crystal Fibers crystal fiber (PCF). Through the characterization of SA, the modulation depth, saturation intensity and unsaturated loss of the saturable absorber were measured to be 3.53 ~ 159 MW/cm2 and 23.2 MW/cm2, respectively. Based on the prepared fine SAs, an erbium-doped fiber (Er-doped) laser platform was built to test the mode-locking performance of the saturable absorber. In the experiment, the laser mode-locking is realized and the output of 524fs pulse and the repetition rate of 19.57 MHz are obtained. The signal-to-noise ratio (SNR) of the pulse is 60.5 dB.5. The structure, preparation method and mode-locking characteristics of fiber integrated WS_2-SAM in erbium-doped fiber linear lasers are introduced. A set of erbium-doped fiber linear lasers was constructed to characterize the mode-locking characteristics of the prepared samples. The experimental results show that WS_2-SAM can realize self-mode-locking in the erbium-doped fiber laser. Mode-locked pulse is affected by Q-modulation. The signal-to-noise ratio of Q-switched pulse measured in the experiment is 40 dB. The experimental results show that this device is feasible for laser mode-locking and has a large space of optimization in the later stage.
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN248

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本文編號：2191636