基于石墨烯可饱和吸收体的脉冲掺铒光纤激光器

摘要

被动锁模及调Q脉冲光纤激光器以其光束质量高、稳定性好、系统紧凑、结构简单等特点，在光通信、生物诊断、材料加工、国防等领域具有广泛的应用。可饱和吸收体是被动锁模及调Q脉冲光纤激光器中的关键器件。目前，半导体可饱和吸收镜(SESAM)是应用最广泛的可饱和吸收体。但是，其价格昂贵、制作工艺复杂，而且工作波长范围较窄。随着新材料技术的发展，碳纳米管可饱和吸收体受到广泛关注。碳纳米管是一种直接带隙材料，其带隙大小由管径和手性决定。最近，石墨烯已经成为科学界研究的热点。除了具有优异的电学、热学和力学特性外，石墨烯还具有独特的宽带工作的光学特性。各重要的是，石墨烯可饱和吸收体具有高的热损伤阈值、低的饱和强度、短的恢复时间、大的调制深度和波长可调谐等优点，有利于激光器在高功率、长时间情况下稳定的运转。本论文基于石墨烯可饱和吸收体，深入研究了石墨烯的非线性光学特性及其在脉冲光纤激光器中的应用，揭示了石墨烯脉冲光纤激光器中的脉冲动力学机制，对发展宽带、稳定、紧凑的脉冲激光光源具有重要意义和实用价值。具体的研究成果总结如下:
　　首先，实验实现了可调谐、双波长、同步、石墨烯调Q光纤激光器。用石墨烯可饱和吸收体搭建了可调谐双波长同步调Q光纤激光器。通过调节偏振控制器，得到了波长间隔为25.6nm的双波长调Q脉冲和波长间隔为5.7nm的双波长调Q脉冲。将输出的脉冲用一个1-nm的带通滤波器滤波后，发现这两种双波长调Q脉冲的单个波长脉冲是时间同步的。另外，调节偏振控制器，不管两个波长的相对位置还是绝对位置（在光谱上）的变化，双波长同步调Q激光器的性能都不会变化。将谐振腔中双折射滤波器改成马赫—曾德尔滤波器，可以得到重复率相近的双波长同步调Q脉冲。石墨烯可饱和吸收体能够在多波长光纤激光器中工作，并且对两个波长脉冲的吸收效果相同，与滤波器无关。
　　其次，实验实现了基于多层石墨烯(22层)的调Q锁模光纤激光器。通过非线性测量，获得了CVD方法制备的多层石墨烯样品的非线性参数，其调制深度达40％。基于该石墨烯可饱和吸收体，实验获得了最小的脉冲包络宽度为13.84μs和主脉冲最大峰值功率为35.89W的调Q锁模脉冲，并通过调Q不稳定性理论分析了调Q锁模光纤激光器的工作特性。
　　第三，实现了无衬底、反射型的石墨烯调Q光纤激光器。传统的石墨烯可饱和吸收体需要衬底才方便引入激光器中工作。我们通过CVD方法，制备得到了无衬底的多层石墨烯样品，并基于非线性测量方法，获得了石墨烯可饱和吸收体反射器的调制深度为0.5％，饱和功率密度为351W/cm2。将该石墨烯反射器熔接到掺铒光纤激光器中，实验得到了重复率22kHz、脉冲宽度11μs、单脉冲能量23nJ、中心波长1530nm的稳定调Q脉冲。研究结果不仅丰富了人们对石墨烯非线性光学特性的认识，而且拓展了石墨烯可饱和吸收体在脉冲光纤激光器中的应用。
　　第四，实现了低重复率石墨烯锁模光纤激光器。研究了基于石墨烯可饱和吸收体的长腔型锁模光纤激光器，观察到了单脉冲类噪声锁模态、双脉冲类噪声锁模态和泵浦滞后现象。单个类噪声脉冲能量达到5.9nJ，大于一般负色散孤子的脉冲能量。与非线性偏振旋转锁模技术相比，基于石墨烯可饱和吸收体的长腔型锁模光纤激光器具有稳定、易自启动等特性。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 选题的意义及背景

1．2 基于可饱和吸收体的光纤激光器的发展历史

1．2．1 基于半导体可饱和吸收镜的脉冲光纤激光器

1．2．2 基于碳纳米管可饱和吸收体的脉冲光纤激光器

1．2．3 基于石墨烯可饱和吸收体的脉冲光纤激光器

1．3 锁模及调Q激光原理和技术

1．3．1 锁模脉冲的产生机理和技术

1．3．2 调Q脉冲的产生机理和技术

1．4 石墨烯可饱和吸收体的特性

1．4．1 石墨烯的基本性质

1．4．2 石墨烯的光学特性

1．4．3 石墨烯可饱和吸收体的制备

1．4．4 石墨烯可饱和吸收体的非线性吸收特性的测量

1．5 本文主要研究内容与基本框架

第2章 石墨烯可饱和吸收体锁模光纤激光器的基本理论和物理模型

2．1 引言

2．2 光在光纤中传输的理论基础

2．2．1 群速度色散

2．2．2 自相位调制

2．2．3 孤子

2．2．4 双折射

2．3 脉冲在光纤激光器中传输的数学描述

2．3．1 脉冲在单模光纤中的传输方程

2．3．2 脉冲在增益光纤中的传输方程

2．3．3 石墨烯可饱和吸收体的模型

2．3．4 其它光器件的模型

2．4 数值模拟

2．4．1 分步傅里叶算法

2．4．2 光纤激光器的数值模拟及结果

2．5 小结

第3章 石墨烯可饱和吸收体的锁模／调Q掺铒光纤激光器

3．1 引言

3．2 石墨烯可饱和吸收体的连续锁模掺铒光纤激光器

3．2．1 实验装置及可饱和吸收体的制备

3．2．2 锁模脉冲及波长调谐

3．2．3 数值模拟结果

3．3 石墨烯可饱和吸收体的调Q掺铒光纤激光器

3．3．1 调Q脉冲

3．3．2 动力学机制

3．4 小结

第4章 石墨烯可饱和吸收体的可调谐多波长同步调Q掺铒光纤激光器

4．1 引言

4．2 实验装置及滤波器

4．2．1 实验装置

4．2．2 双折射滤波器

4．2．3 马赫-曾德尔滤波器

4．3 基于双折射滤波器的可调谐双波长同步调Q光纤激光器

4．3．1 双波长同步调Q脉冲及其动力学

4．3．2 双波长调Q 脉冲的同步测量

4．3．3 双波长同步调Q脉冲的波长调谐

4．4 基于马赫-曾德尔滤波器的可调谐双波长同步调Q光纤激光器

4．4．1 双波长同步调Q脉冲性质

4．5 小结

第5章 多层石墨烯可饱和吸收体的脉冲光纤激光器

5．1 引言

5．2 多层石墨烯可饱和吸收体的调Q锁模光纤激光器

5．2．1 可饱和吸收体的性质及实验装置

5．2．2 调Q锁模脉冲的实验结果

5．2．3 调Q锁模态的理论分析

5．3 多层石墨烯可饱和吸收反射器的调Q光纤激光器

5．3．1 实验装置及可饱和吸收体的性能

5．3．2 调Q脉冲实验结果

5．4 小结

第6章 石墨烯可饱和吸收体的低重频锁模光纤激光器

6．1 引言

6．2 石墨烯可饱和吸收体的低重频锁模光纤激光器

6．2．1 单脉冲类噪声锁模态

6．2．2 多脉冲类噪声锁模态

6．2．3 各锁模态的关系及泵浦滞后效应

6．3 非线性偏振旋转技术的低重频锁模光纤激光器

6．3．1 光纤激光器输出的锁模态

6．3．2 低重频脉冲中心波长的调谐特性

6．3．3 高能量、低重频锁模脉冲的超连续谱

6．4 小结

结论

参考文献

缩写词索引

致谢

附录A 攻读博士学位期间已发表的论文

附录B 攻读博士学位期间参与的相关课题