【摘要】：具有高峰值功率、高脈沖能量、高重復(fù)頻率和寬光譜線寬的脈沖激光是光通信、傳感、材料加工、醫(yī)療等領(lǐng)域不可或缺的重要光源;光纖激光器由于結(jié)構(gòu)緊湊、散熱性好、光束質(zhì)量高、兼容性好等優(yōu)點,被認(rèn)為是一種最有前途的脈沖激光載體。然而,目前用于脈沖激光產(chǎn)生的光調(diào)制材料響應(yīng)帶寬有限,制作和封裝技術(shù)復(fù)雜且與光纖激光器兼容性較差,阻礙了脈沖激光技術(shù)的發(fā)展。因此,探索新材料和新技術(shù),研究具有功能更全面、制備更簡單和成本更低的新型光調(diào)制器件成為脈沖激光技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。本論文中,我們以具有可飽和吸收特性的黑磷、碳納米管和具有電光調(diào)制特性的石墨烯為研究對象,通過實驗制備黑磷、碳納米管可飽和吸收體和石墨烯電光調(diào)制器,分別研究它們的光學(xué)響應(yīng)和光調(diào)制特性,再將它們用于光纖激光器中通過主、被動調(diào)Q、鎖模技術(shù)實現(xiàn)可調(diào)諧脈沖激光輸出。通過建立鎖模激光的理論模型,研究腔內(nèi)脈沖在時域和頻域演化的動力學(xué)過程。主要的研究內(nèi)容如下:(1)黑磷和碳納米管可飽和吸收體的制備和表征分別采用機(jī)械剝離法和液相剝離法制備黑磷可飽和吸收體,機(jī)械剝離的黑磷可以直接轉(zhuǎn)移到光纖端面制成全光纖型可飽和吸收體;液相剝離的黑磷通過與聚碳酸酯聚合物進(jìn)行功能化改性,獲得在空氣中穩(wěn)定性較強(qiáng)的黑磷聚合物復(fù)合材料;通過對機(jī)械剝離的黑磷進(jìn)行光學(xué)表征,發(fā)現(xiàn)其具有很強(qiáng)的線性和非線性各向異性吸收。采用管徑~1.3 nm的單壁碳納米管作為原材料,通過超聲離心技術(shù)將其分散制成懸濁液,再使用羧甲基纖維素鈉聚合物對碳納米管進(jìn)行改性,制成寬帶的碳納米管聚合物復(fù)合材料,特殊的管徑分布使其在1.5μm的通信波段具有強(qiáng)的吸收峰。(2)黑磷被動調(diào)Q、鎖模脈沖激光特性研究首先,將機(jī)械剝離的黑磷和液相剝離并功能化的的黑磷聚合物復(fù)合材料可飽和吸收體作為調(diào)Q器件,在摻鉺光纖激光器中獲得了兩種高能量脈沖輸出,并分析討論了脈沖的形成機(jī)理。然后通過對機(jī)械剝離的黑磷調(diào)Q光纖激光器進(jìn)行優(yōu)化,獲得了被動鎖模超短脈沖輸出,通過建立脈沖在激光器中的傳輸模型,采用分步傅里葉法求解描述脈沖演化過程的非耦合Ginzburg-Landau方程,從理論上解釋了基于黑磷被動鎖模的脈沖產(chǎn)生過程和機(jī)理。(3)碳納米管可調(diào)諧鎖模脈沖激光特性研究單壁碳納米管可飽和吸收體具有寬的光學(xué)響應(yīng)帶寬,通過與摻鉺光纖激光器集成,再引入光譜濾波機(jī)制,可以實現(xiàn)中心波長、光譜帶寬和脈沖寬度都可調(diào)諧的超短脈沖輸出。通過建立激光諧振腔內(nèi)的脈沖演化模型,從理論上研究了鎖模脈沖激光器的腔內(nèi)濾波效應(yīng)對激光光譜、輸出脈沖形狀的影響,理論與實驗相結(jié)合,相互驗證。(4)石墨烯電光調(diào)制器的設(shè)計和電光特性研究從材料的能帶結(jié)構(gòu)出發(fā),理論分析了石墨烯電光調(diào)制的原理,通過總結(jié)現(xiàn)有石墨烯光調(diào)制器的優(yōu)點和不足,提出基于平板電容型的石墨烯電光調(diào)制器,實驗探索相應(yīng)的微加工技術(shù),獲得了石墨烯電光調(diào)制器原理型器件,實現(xiàn)了近紅外波段的寬帶(1.5-2μm)調(diào)制,并對其響應(yīng)速率、調(diào)制深度等電光響應(yīng)特性進(jìn)行了表征。(5)石墨烯主動調(diào)Q和同步調(diào)Q脈沖激光特性研究我們將平板電容型石墨烯電光調(diào)制器分別與1.5μm摻鉺光纖激光器和2μm銩鈥共摻光纖激光器集成,在實驗上首次獲得了石墨烯主動調(diào)Q脈沖激光輸出;然后將同一器件與能夠同時運轉(zhuǎn)1.5μm和2μm波長的復(fù)合腔光纖激光器集成,實現(xiàn)了主動同步調(diào)Q脈沖輸出;通過對電壓信號頻率的調(diào)制,可以對激光器的輸出脈沖寬度、脈沖能量和脈沖重復(fù)頻率進(jìn)行調(diào)諧,并在實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,分析和討論了石墨烯主動調(diào)Q脈沖與電壓信號參量之間的關(guān)系。
【圖文】：

因此，摻鉺光纖激光器發(fā)展非常迅速。在摻鉺光纖中，鉺離子是發(fā)射激光波長的主要物質(zhì)，其輻射光子來源于鉺離子中激活粒子的帶間躍遷，，如圖1.1所示，鉺離子屬于典型的三能級結(jié)構(gòu)，相比于四能級，三能級的轉(zhuǎn)換效率比較低，且工作物質(zhì)的增益長度存在最佳值，所以，在構(gòu)建摻鉺光纖激光器時，摻鉺光纖的長度和鉺離子的摻雜濃度對激光器的工作特性具有很大影響。從圖中還可以看出，鉺離子發(fā)生熒光躍遷的光譜線是4 413 2 15 2I -I ，則其發(fā)射的熒光波長在1550nm附近；鉺離子的吸收譜線主要有三條，分別對應(yīng)1480 nm（4 415 2 13 2I -I ），980 nm（4 415 2 11 2I -I ）和800 nm（4 415 2 9 2I -I ）波長

圖 1.1 鉺離子的能級結(jié)構(gòu)圖級結(jié)構(gòu)和特點安全范圍，其在醫(yī)療方面有重要的應(yīng)有廣泛的應(yīng)用，所以，2μm 光纖激光產(chǎn)生 2μm 激光的一種重要稀土離子波長的光作為泵浦源，使基態(tài)3H6的的泵浦能級由于自淬滅過程，會迅發(fā)到能級3F4。最后，2 μm 的激光壽命很長，可達(dá)到~10 ms，很適合作
【學(xué)位授予單位】：西北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN248

【參考文獻(xiàn)】

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1 江天;殷科;張斌;陳宇;趙楚軍;侯靜;;基于拓?fù)浣^緣體的中紅外鎖模光纖激光器[J];中國激光;2015年06期

本文編號：2697156