脈沖激光器和連續(xù)激光器相比,具有短脈寬、高峰值功率等優(yōu)勢,廣泛應用于基礎研究、通信、醫(yī)療以及工業(yè)精密加工等領域�；诳娠柡臀阵w的被動調(diào)Q/鎖模技術是實現(xiàn)脈沖激光最有效的技術手段。長久以來,如何改善可飽和吸收體的各項性能參數(shù)以滿足各種脈沖激光器應用需求一直是科研界以及工業(yè)界的研究熱點。值得關注的是,半導體可飽和吸收鏡(SESAMs)的研制成功是脈沖激光技術發(fā)展過程中的一項重大突破。受益于精確而成熟的半導體材料生長工藝以及針對器件本身逐漸形成的一套完整的非線性調(diào)控方案,到目前為止,SESAMs仍然是使用最廣泛和商業(yè)化程度最高的可飽和吸收器件。然而,受限于吸收層材料的選擇以及器件結(jié)構(gòu),SESAMs在脈沖激光應用上仍然存在一些瓶頸,比如工作帶寬窄(～100 nm),工作波長難以拓展到3μm以上,因此限制了其在寬帶可調(diào)諧以及中紅外脈沖激光器中的應用。隨著對脈沖激光器需求的不斷提升,業(yè)界迫切需求一種穩(wěn)定、寬帶、參數(shù)靈活可控的可飽和吸收器件。本文以此為出發(fā)點,首先研究了單壁碳納米管(SWNTs)的超寬帶可飽和吸收效應,從最基本的低維材料入手,發(fā)掘SWNTs在緊湊、高可靠性的超寬帶可調(diào)諧鎖模激光器中的應用潛力。其次,本文作者系統(tǒng)研究三維狄拉克半金屬砷化鎘(Cd3As2)材料在近紅外波段的可飽和吸收效應以及脈沖激光應用,進一步擴展Cd3As2薄膜作為可飽和吸收體的適用范圍。最后,本文作者深入研究了基于三維狄拉克半金屬Cd3As2材料的可飽和吸收器件的參數(shù)調(diào)控特性,分別利用電誘導熱效應以及元素摻雜方法對其非線性參數(shù)進行主動和被動調(diào)控,進一步推動了 Cd3As2可飽和吸收器件的實用化進程。具體的研究內(nèi)容如下:1、利用液相剝離方法制備了大面積、高質(zhì)量的單壁碳納米管可飽和吸收體,并通過泵浦-探測裝置和平衡探測系統(tǒng)對其超快動力學過程及可飽和吸收特性進行表征。結(jié)果表明,管徑分布在～1.3-1.6nm之間的碳納米管可飽和吸收體在1.6μm-2.1 μm范圍內(nèi)均具有明顯的可飽和吸收特性。進一步,基于單壁碳納米管可飽和吸收體的寬帶非線性特性,通過搭建銩/鈥共摻光纖激光器以及設計高效率濾波系統(tǒng),獲得擁有200nm(1860nm-2060nm)波長連續(xù)調(diào)諧能力的鎖模光纖激光器。2、本文作者首次研究Cd3As2薄膜在近紅外波段的寬帶光響應以及脈沖激光應用。首先,使用分子束外延技術(MBE)生長出高質(zhì)量的Cd3As2薄膜,并使用非簡并-泵浦探測裝置研究了其在近紅外波段下(1-2 μm)的超快光生載流子動力學過程,給出Cd3As2薄膜在近紅外波段下的光生載流子弛豫時間在5 ps左右。其次,利用平衡探測系統(tǒng),具體表征出Cd3As2薄膜在1.96μm和1.56μm波長下的可飽和吸收性能參數(shù),其調(diào)制深度分別為3.5%、5.1%,飽和強度分別為12 MW/cm2、67MW/cm2。最后,基于Cd3As2薄膜(300nm厚)構(gòu)建“三明治”式光纖集成可飽和吸收器件,利用該器件,本文作者分別在銩/鈥共摻、摻鉺以及摻鐿光纖激光器中實現(xiàn)穩(wěn)定的1.96 μm、1.56 μm鎖模脈沖輸出以及1.06 μm調(diào)Q脈沖輸出,在實際應用中表明Cd3As2可飽和吸收器件具有超寬帶工作響應。3、利用分子束外延技術和電子束蒸發(fā)技術制備電接觸Cd3As2薄膜可飽和吸收器件。器件使用傳統(tǒng)的Ⅲ-Ⅴ族化合物砷化鎵作為襯底,具有很好的生長工藝兼容性。在電流誘導的溫度變化下,可飽和吸收器件的調(diào)制深度可以實現(xiàn)大范圍調(diào)控。這種通過簡單的平面結(jié)構(gòu)設計即可實現(xiàn)的主動調(diào)控能力,能夠為深入研究鎖模動力學過程提供更加廣闊的支撐平臺。隨后,研究了元素摻雜對Cd3As2薄膜中超快動力學過程的影響,通過對比鉻(Cr)和錳(Mn)摻雜,試圖厘清元素摻雜對Cd3As2載流子弛豫過程影響的一般規(guī)律。Cr和Mn均能實現(xiàn)不同程度的弛豫時間調(diào)控,但Mn摻雜會引入一個較長時間的弛豫過程(T:～2.8 ns@ Mn:12%)。根據(jù)以往SESAM的調(diào)控經(jīng)驗,這部分弛豫過程與可飽和吸收器件的非線性參數(shù)直接相關,對于調(diào)控超短脈沖輸出以及優(yōu)化鎖模自啟動性能具有重要作用。
【學位單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN248
【部分圖文】：

等領域［２６，邋２７］。逡逑調(diào)Ｑ技術是通過在諧振腔系統(tǒng)不同工作階段快速調(diào)整Ｑ值實現(xiàn)，因此也稱逡逑為損耗調(diào)制技術，其基本原理可以概括為：如圖１．１所示，在泵浦激勵初始（ｔ＜逡逑０），調(diào)整激光腔內(nèi)損耗位于較高水平，諧振腔具有高激光閾值，不能形成有效激逡逑射，在亞穩(wěn)態(tài)上逐漸積累高水平的粒子數(shù)；隨后，在某個時間節(jié)點（ｔ＝０），突然逡逑降低腔內(nèi)損耗系數(shù)，減小激光閾值，之前積累的粒子數(shù)密度會充分滿足激光閾值逡逑條件，受激輻射急劇發(fā)生，光子數(shù)密度會在較短時間內(nèi)（ｔ＝ｔｐ）達到最高值，形成逡逑４逡逑

ＳＥＳＡＭ器件的最基本結(jié)構(gòu)組合，其中吸收層可以是體狀半導體或者量子阱、量逡逑子點結(jié)構(gòu)的半導體薄層［１６］。當入射脈沖能量足夠強時，吸收層的吸收趨于飽和，逡逑表現(xiàn)為ＳＥＳＡＭ反射率增力卩。圖１．３ａ為典型的ＳＥＳＡＭ結(jié)構(gòu)，在３０對ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ逡逑構(gòu)成的ＤＢＲ上生長一定厚度的吸收層材料。ＳＥＳＡＭ具有很多重要的參數(shù)，一般逡逑在其非線性特征曲線中獲得Ｐ９，邋４０］，如圖１．３ｂ所示。曲線中主要包括以下幾個逡逑參數(shù)：逡逑（１）

（Ａ－ＦＡＳＡ）；邋（ｂ）薄層防反結(jié)構(gòu)ＳＥＳＡＭ；邋（ｃ）低精細度Ａ－ＦＡＳＡ；邋（ｄ）色散補償ＳＥＳＡＭ逡逑１９９２年，貝爾實驗室的Ｕ．邋Ｋｅｌｌｅｒ等人發(fā)明了第一個ＳＥＳＡＭ可飽和吸收器逡逑件［４６］，稱為反共振法布里－珀羅可飽和吸收體（Ａ－ＦＰＳＡ），如圖１．４ａ所示。由于逡逑Ｆ－Ｐ腔由頂部高反射率電介質(zhì)層與底部高反射率ＤＢＲ構(gòu)成，擁有較高的精細度，逡逑因此該結(jié)構(gòu)ＳＥＳＡＭ也稱為高精細度Ａ－ＦＰＳＡ。通過控制Ｆ－Ｐ腔長度（吸收體和逡逑空間夾層的厚度），可使光波在Ｆ－Ｐ腔內(nèi)滿足反共振條件，從而保證ＳＥＳＡＭ具逡逑有寬反射帶寬以及小群速度色散量。同時，可以通過改變上層電介質(zhì)層的反射率，逡逑調(diào)節(jié)入射到吸收體的光強，實現(xiàn)對器件飽和通量（Ｆｓａｔ）的有效控制。激光腔內(nèi)有逡逑效運轉(zhuǎn)的光通量大小與飽和通量直接相關，因此對飽和通量的調(diào)節(jié)可以獲得不同逡逑輸出功率量級的激光脈沖。對于該結(jié)構(gòu)的ＳＥＳＡＭ器件，Ｂ．Ｂｒａｕｎ等人通過調(diào)整逡逑高精細度Ａ－ＦＰＳＡ參數(shù)以及泵浦功率，在二極管泵浦Ｎｄ：ＹＶ０４微片激光器逡逑（Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ邋ｌａｓｅｒ）中實現(xiàn)５６邋ｐｓ－３０邋ｎｓ選擇范圍的調(diào)Ｑ脈沖輸出［４７］；此外

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本文編號：2822616