發(fā)布時間：2017-12-31 23:13

  本文關鍵詞：基于重摻半導體納米晶的可飽和吸收體及脈沖激光器　出處：《浙江大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 非線性光學 重摻雜半導體 可飽和吸收體 脈沖激光器 納米材料

【摘要】：光通訊、生物醫(yī)學、軍事對抗、基礎研究、材料精細加工等領域的快速發(fā)展離不開脈沖激光光源這一工具的進步。正如人類社會發(fā)展的一般規(guī)律,技術的發(fā)展反過來對工具提出了更高的要求。脈沖光源的需求正朝著超短,高功率、高重頻、多波長等方向發(fā)展。脈沖激光器主要依賴其中的可飽和吸收體產生激光脈沖,但是目前商用的可飽和吸收體-半導體可飽和吸收鏡(SESAM)-由于自身的局限,已經越來越難以滿足發(fā)展的需求,因此亟需開發(fā)新型可飽和吸收體器件。本文基于脈沖光源的發(fā)展趨勢,以開發(fā)新型可飽和吸收體器件為導向,提出了一種基于重摻雜半導體納米晶局域表面等離子體共振(LSPR)吸收效應的可飽和吸收體的概念;開發(fā)出了硫化物和氧化物兩種體系的材料作為可飽和吸收體;系統(tǒng)研究了其非線性光學吸收性質和超快的載流子響應特性;基于硫化物納米晶LSPR寬帶吸收效應,發(fā)現(xiàn)了覆蓋0.8-3.0μm的超寬帶可飽和吸收響應,進一步成功實現(xiàn)了覆蓋1.0 μm到3.0 μm的超寬帶可飽和吸收體器件應用;基于重摻雜氧化物納米晶介電常數(shù)近零區(qū)(Epsilon-near-zero,ENZ)的優(yōu)異的非線性光學響應實現(xiàn)了光通訊波段的可飽和吸收體器件應用。本文的工作主要包含以下幾個部分:1.系統(tǒng)研究了偏離化學計量比的Cu_(2-x)S納米晶的非線性光學性質及其超快載流子響應特性。Z掃描測試結合理論計算顯示Cu_(2-x)S納米晶在其LSPR吸收峰1300 nm附近的非線性吸收系數(shù)β高達～-161 cm/GW,三階非線性極化率的虛部為ImX(3)=-1.39×10-10esu,品質因子FOM=3.79×10~(-15)esu cm,并且光調制深度高達63.3%,這些非線性光學參數(shù)都明顯優(yōu)于近年來興起的石墨烯、過渡金屬二硫化物、黑磷等二維可飽和吸收體材料;進一步寬帶非線性光學測試發(fā)現(xiàn),Cu_(2-x)S納米晶的非線性吸收調制深度與其LSPR線性吸收強度呈對應關系,LSPR峰位處調制深度達到最大值,且Cu_(2-x)S納米晶具有與其LSPR寬帶吸收對應的超寬帶非線性可飽和吸收特性。超快光譜測試結果表明,Cu_(2-x)S納米晶的載流子衰減包含兩個過程:一個對應于電子-聲子相互作用的快速衰減過程,其時間常數(shù)為～315 fs;另一個對應于聲子-聲子相互作用的慢速衰減過程,其時間常數(shù)為～34ps。與貴金屬納米顆粒相比,Cu_(2-x)S納米晶的載流子快態(tài)和慢態(tài)恢復速度都快了一個數(shù)量級。2.首次基于Cu_(2-x)S納米晶作為可飽和吸收體構建了可超寬帶工作的可飽和吸收體器件,充分展示了 Cu_(2-x)S納米晶作為超寬帶可飽和吸收體的能力。構建了:1)1.5 μm波段的鎖模光纖激光器,獲得了中心波長為1562.6 nm,重頻為7.28 MHz,脈寬為295 fs、信噪比為50 dB的穩(wěn)定的鎖模激光脈沖,激光穩(wěn)定性I測試表明,兩個小時內激光光譜幾乎沒有變化;2)1.0 μm波段的鎖模固體激光器,獲得了中心波長為1030 nm,重頻為84.17 MHz,脈寬為7.8 ps、信噪比為60 dB的穩(wěn)定的鎖模激光脈沖;3)3.0 μm波段的調Q光纖激光器,獲得了中心波長為2769 nm,最短脈寬為0.75μs,最大平均輸出功率214 mW,最大重頻90.7 kHz的調Q激光脈沖輸出。3.提出基于銅硫族化合物納米晶LSPR吸收峰位寬帶可調諧特點構建光學參數(shù)可調的可飽和吸收體器件的概念。通過控制摻雜條件實現(xiàn)納米晶中的載流子濃度在9.7×10~(21) cm~(-3)到3.18×10~(21) cm~(-3)內可控調節(jié),相應的LSPR吸收峰在800nm到1500 nm波長范圍內調節(jié)。通過控制Sn的摻雜濃度,將Cu-Sn-S納米晶的LSPR吸收峰可以從1350 nm調節(jié)到光通訊波段1550 nm附近,并研究了其在1550 nm處的非線性光學吸收性質,發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)異的可飽和吸收效應,光學調制深度達到52.6%,并且Sn的引入可以進一步提高載流子的恢復速度,使其快態(tài)衰減時間常數(shù)從315 fs降到266 fs;基于Cu-Sn-S納米晶可飽和吸收體在1.5 μm的Er摻雜光纖激光器中實現(xiàn)了飛秒激光脈沖輸出,激光穩(wěn)定性測試表明,在10小時的連續(xù)工作狀態(tài)下,激光器能夠保持穩(wěn)定輸出,且性能無明顯衰減。4.研究了 ITO膠體納米晶在ENZ區(qū)域的的非線性光學吸收性質及其超快的載流子響應特性,并首次將其制備成可飽和吸收體器件集成于激光器中獲得激光脈沖輸出。Z掃描測試表明ITO納米晶在ENZ區(qū)域具有優(yōu)異的可飽和吸收性能,其非線性吸收系數(shù)高達～-50cm/GW。超快光譜測試發(fā)現(xiàn),ITO納米晶在ENZ處的調制深度達到160%,載流子的衰減過程在～450 fs內幾乎全部完成,衰減時間常數(shù)約為100 fs,表明ENZ區(qū)域的ITO納米晶具有超快、超靈敏的全光調制性能�；贓NZ區(qū)域在1.5 μm處的ITO納米晶作為可飽和吸收體集成于Er摻雜光纖激光器中實現(xiàn)了脈寬達593 fs的鎖模激光脈沖輸出。
[Abstract]:In this paper , a novel saturable absorber device is developed , which is based on the general rule of the development of human society and the development of technology . A stable mode - locked laser pulse with a center wavelength of 1562.6 nm , a repetition frequency of 7.28 MHz , a pulse width of 295 fs and a signal - to - noise ratio of 50 dB is obtained . Z - scan test shows that ITO nanocrystalline has excellent saturable absorption performance in ENZ region , and its non - linear absorption coefficient is up to ~ -50 cm / GW . The ultra - fast spectral test shows that ITO nanocrystals are almost all completed at ENZ . The attenuation time constant is about 100 fs . The ITO nanocrystals at 1.5 渭m are integrated into Er - doped fiber laser based on ENZ region .

【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN248

【參考文獻】

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1 王楓秋;;Two-dimensional materials for ultrafast lasers[J];Chinese Physics B;2017年03期

2 Hongyi Yu;Xiaodong Cui;Xiaodong Xu;Wang Yao;;Valley excitons in two-dimensional semiconductors[J];National Science Review;2015年01期

3 Jinying Wang;Shibin Deng;Zhongfan Liu;Zhirong Liu;;The rare two-dimensional materials with Dirac cones[J];National Science Review;2015年01期

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本文編號：1361879