新型二维材料在光纤激光器中的非线性特性研究

摘要

金属纳米粒子作为一类典型的二维材料常应用于生物诊断和医疗、生物传感成像和近红外超分辨成像中。这些应用都是基于金纳米粒子在区域等离子体振荡的作用下具有出色的饱和吸收特性，区域等离子体振荡是一种因导电电子的集体震荡而引起的光学现象，会在等离子纳米粒子表面引起很强的等离子电磁场。这是形成强光吸收和表面增强拉曼散射等光学性质的主要成因。大量研究表明，很多金属纳米材料拥有出色的各向异性，粒子的物理化学性质与材料颗粒的大小、性状、结构组分密切相关，他们以其独特的结构和具有边长与厚度在合成材料的过程中灵活可控的光学性质吸引了人们更大的兴趣。基于他们结构对环境的依赖性，通过调节金纳米材料纵横比的大小，可以将材料的纵向表面等离子体共振带吸收峰从可见光区域移到近红外区域灵活移动。并且随着纳米颗粒结构对称性的变化，材料会产生一些新颖的光学物理性质，从而在光学邻域具有巨大的应用潜力;
　　在本文中，基于金纳米三角片、金纳米笼、金纳米笼复合二氧化硅具有强的三阶非线性效应、宽的吸收带宽和超快的恢复时间，而将它们首次应用到光学领域中做饱和吸收体，同时也对它们的光学特性做进一步的研究。
　　首先我先总结了在掺镱光纤激光器中几种新型金纳米材料的调Q实验:
　　在金纳米三角片做饱和吸收体的被动调Q掺镱光纤激光器中，在泵浦功率为158.4mW时，得到了输出波长为1064.9nm、脉冲宽度为1.149μs、重频为118.2kHz的脉冲输出，此时的脉冲平均输出功率为10.56mW，即9.9％，对应的泵浦转换效率达到9.9％。
　　然后在以上优化的光纤激光器中研究了金纳米笼的饱和吸收特性，得到了很稳定的脉冲输出，其中金纳米笼的纵向等离子吸收峰位于1060nm，这很利于在掺镱光纤激光器中达到稳定调Q，在385mW的泵浦功率下，对应的脉冲重频、脉宽和最大脉冲平均输出功率分别为134.9kHz、2.09μs、6.03mW，和金纳米三角片金纳米棒等材料相比，金纳米笼在高功率泵浦激励应用中能都实现稳定的脉冲输出，并且材料不会热损伤，具有很高的损伤阈值;
　　最后在基于金纳米笼复合二氧化硅饱和吸收体被动调Q的光纤激光器中，当输入功率为440mW时，得到了脉冲宽度为1.405μs重频为126.9kHz中心波长为1060.5nm的稳定脉冲，对应的平均输出功率为10.6mW，并且最值得注意的是，金纳米笼复合二氧化硅完全克服了传统的金纳米粒子存在热凝聚效应的通病，具有很高的损伤阈值。或者可以比较乐观的说金纳米笼复合二氧化硅根本不存在热凝聚效应，没有损伤阈值。实验中在室温下得到了脉冲具有特别好的稳定性，并且发现当泵浦的功率越高，金纳米笼复合二氧化硅不存在热凝聚效应的优势越明显，输出的脉冲越短。在大功率激光器领有惊人的应用前景。
　　最后基于二硫化钨超宽的吸收谱线，我先后在掺铒、掺镱光纤激光器中分别完成了被动锁模实验;在1μm波段得到了基频为35MHz的耗散孤子脉冲，并在1.5μm波段得到了稳定的亮-暗孤子脉冲，相应的脉冲宽度大约为258.8fs。

目录

声明

摘要

1．1．1 研究背景

1．1．2 光纤激光器的发展和意义

1．2 世界上及国内光纤激光器的研究现状

1．2．1 光纤激光器的发展和意义

1．2．2 孤子背景和形成因素

1．3 光纤激光器的分类

1．4 被动锁模光纤激光器

1．4．1 传统孤子锁模光纤激光器

1．4．2 色散管理脉冲锁模光纤激光器

1．4．3 自相似脉冲锁模光纤激光器

1．4．4 耗散孤子脉冲锁光纤激光器

1．5 二维材料饱和吸收体的研究进展

1．6 几种新型二维金纳米材料的介绍

1．6．1 金纳米三角片

1．6．2 金纳米笼

1．6．3 金纳米笼复合二氧化硅

1．6．4 金纳米棒

1．7 本文的主要内容

第二章 调Q、锁模光纤激光器的相关理论

2．1 调Q相关理论

2．1．1 激光器调Q的原理

2．1．2 光纤激光器中调Q的特性分析

2．2 锁模光纤激光器的相关理论

2．2．1 非线性偏振旋转锁模原理

2．2．2 锁模光纤激光器中的脉冲传输方程

2．3 小结

第三章 基于二维材料的被动调Q光纤激光器实验研究

3．1 基于金纳米棒的掺镱调Q光纤激光器研究

3．1．1 金纳米棒饱和吸收体器件的制作

3．1．2 实验装置图

3．1．3 实验结果分析与讨论

3．2 基于金纳米三角片的掺镱调Q光纤激光器实验研究

3．2．1 金纳米三角片的光学特性

3．2．2 金纳米三角片溶液的制备方法

3．2．3 金纳米三角片饱和吸收体的制备方法

3．2．4 金纳米三角片的掺镱调Q光纤激光器实验装置图

3．2．5 实验结果分析与讨论

3．3 基于金纳米笼的掺镱调Q光纤激光器实验研究

3．3．1 金纳米笼的光学特性

3．3．2 金纳米笼溶液的制备方法

3．3．3 金纳米笼的掺镱调Q光纤激光器实验装置图

3．3．4 实验结果分析与讨论

3．4 基于金纳米笼复合二氧化硅的掺镱调Q光纤激光器实验研究

3．4．2 金纳米笼复合二氧化硅溶液的制备方法

3．4．3 金纳米笼复合二氧化硅的掺镱调Q光纤激光器实验装置图

3．4．4 实验结果分析与讨论

3．6 本章小结

4．1 引言

4．2 基于NPR被动锁模全光纤激光器

4．2．1 掺铒全光纤锁模光纤激光器

4．2．2 掺镱全光纤锁模光纤激光器

4．3 基于二硫化坞饱和吸收体的被动锁模光纤激光器

4．3．1 饱和吸收体的制备和特性

4．3．2 基于二硫化坞饱和吸收体的被动锁模掺镱光纤激光器

4．3．3 基于二硫化坞饱和吸收体的被动锁模掺铒光纤激光器

4．3 本章小结

5．1 全文总结

5．2 后续工作

参考文献

致谢

附录