PECVD法生长石墨烯及其锁模激光脉冲的产生

摘要

石墨烯是一个非常有代表性的二维层状材料，因其奇特的电子和光学性能而备受光电子领域的关注。目前基于机械剥离法、液相剥离法、化学氧化还原法、化学气相沉积法等方法制备的石墨烯被作为可饱和吸收体广泛应用于激光器中实现超快激光的输出。这些传统制备方法在制备过程中不可避免地会对石墨烯造成机械损伤和污染以及石墨烯层数可控性差等。此外，在实际应用中，石墨烯通常需要聚合物作为支撑体或与聚合物复合来方便操作，然而聚合物的损伤阈值通常比较低，这将会影响激光器的输出性能。针对上述问题，本论文采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法在单模石英光纤端面直接生长高质量的石墨烯。PECVD可以实现在低温下无需催化剂辅助直接在介质衬底表面生长石墨烯，石墨烯的厚度可由生长时间控制。本文主要研究了PECVD法在不同生长条件制备石墨烯的质量与形貌，并应用到光纤激光器中进行锁模。主要研究内容如下： （1）PECVD法生长石墨烯参数研究 采用PECVD法在石英衬底上制备石墨烯，以甲烷和氢气作为前驱体，系统研究了生长温度、不同甲烷氢气流量比例与Plasma功率等生长参数对石墨烯质量、形貌结构以及生长速率的影响，同时摸索出目前生长石墨烯的最佳条件。研究结果表明PECVD法生长的石墨烯为多晶结构且晶面间距接近本征少层石墨烯。在较低的生长温度和较高的氢气流量比例条件下，石墨烯生长速率得到减缓，有利于生长高质量的平面石墨烯薄膜。在高温环境、高甲烷流量比例和高Plasma功率等条件下，生长速率加速适合制备直立石墨烯。 （2）PECVD法在光纤端面直接生长石墨烯及其表征 采用PECVD法在单模石英光纤端面直接生长石墨烯，并对端面上石墨烯的形貌、线性光学、可饱和吸收特性、插入损耗和机械损伤等性能进行表征。研究结果表明，均匀连续的石墨烯铺满光纤端面。器件的调制深度和插入损耗与石墨烯层数正相关可以通过控制生长时间进行调节。同时，该器件具有良好的物理机械稳定性，证明了该方法在制备和实际应用中的可行性以及可控性。 （3）锁模激光脉冲的产生 实验分析研究了直接生长在光纤端面的石墨烯在掺铒光纤激光器中的超快脉冲输出特性，获得了中心波长1559nm，脉宽991fs的脉冲输出，并对锁模激光器稳定性等关键问题进行了分析。实验证明该方法制备的锁模器件具有较高的损伤阈值，当泵浦功率调到最大功率700mW时，激光器仍可以稳定工作在锁模状态，最大平均输出功率可达17.6mW。同时分析比对低温下不同甲烷氢气流量比例制备的石墨烯对锁模性能的影响。研究发现，高氢气流量比生长的石墨烯锁模光谱3dB带宽明显优于纯甲烷生长的相似层数的石墨烯。

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