基于新型可饱和吸收体高能量短脉冲光纤激光器的研究

摘要

近年来，基于掺稀土离子的光纤激光器在若干应用领域扮演着越来越重要的角色，如通信，医疗，工业加工和光谱传感等。光纤激光器具有光束质量好，光-光转换效率高，结构紧凑，长期稳定性，受外界干扰小等优势。利用可饱和吸收体被动调Q和被动锁模技术是在光纤激光器领域获得脉冲激光的重要途径之一。本文是基于新型可饱和吸收体在掺镱光纤激光器中产生高能量短脉冲激光的实验研究。我们搭建了基于空间结构的非线性偏振演化（NPE）被动锁模掺镱光纤激光器，作为全光纤双臂探测系统的光源，用于测量可饱和吸收体（SA）的饱和吸收能力，并且将具有饱和吸收能力的新型可饱和吸收体（二硫化钨WS2，碲化铋Bi2Te3，黑磷BP）插入到全光纤掺镱振荡器中获得了高能量稳定调Q运转。其主要研究内容分为以下三个部分：
　　1.搭建了基于空间结构NPE被动锁模掺镱光纤激光器（YDFL）。随着泵浦功率的增加，并仔细调节腔中的三个波片和双折射滤波片，获得重复频率为49.60MHz，脉宽为4.1ps，和最大输出功率为151mW的稳定锁模脉冲。在580mW泵浦功率下，获得二次谐波锁模脉冲，重复频率为99.13MHz，约为基频的两倍。经过一周观测，该激光器一直工作在锁模状态下，说明其稳定性良好。我们将该激光器作为双臂探测系统的光源，用于测量新型可饱和吸收体的非线性饱和吸收。
　　2.通过垂直蒸发法制备的WS2和Bi2Te3墙纸在全光纤掺镱振荡器中获得了稳定的高能量调Q运转。双臂探测系统测量的WS2和Bi2Te3墙纸非线性饱和吸收特性如下：WS2墙纸的调制深度（MD）是10.17％，可饱和强度是8.89MW/cm2，非饱和损耗是3.41%；Bi2Te3墙纸的MD是23.04%，可饱和强度是22.55MW/cm2，非饱和损耗是48.39%。（1）基于WS2薄膜高能量调Q掺镱光纤激光器的实验结果如下：当泵浦功率从50mW增加到94mW，重复频率变化范围是36.78～81.75kHz，相应单脉冲宽度变化范围是3.61～1.0μs，获得的最大单脉冲能量为56.50nJ。（2）基于Bi2Te3薄膜高能量调Q掺镱光纤激光器的实验结果如下：在泵浦功率60mW到116mW范围内，最小单脉冲宽度为1.07μs，最大单脉冲能量为61.80nJ，重复频率调谐范围为53.31～106kHz。并且在泵浦功率92mW下，微调偏振控制器，实现了双波长调Q运转，中心波长分别位于1026.52nm和1029.46nm处。因此，WS2和Bi2Te3薄膜相比较，Bi2Te3薄膜在被动调Q掺镱光纤激光器中的性能优于WS2薄膜。
　　3.利用机械剥离法和液相剥离法制备的黑磷可饱和吸收体（BP-SA）分别在掺镱全光纤激光器中实现了稳定的被动调Q运转。（1）我们设计搭建了基于机械剥离BP-SA被动调Q掺镱光纤激光器，获得的调Q脉冲最短脉宽是1.9μs，最大单脉冲能量是24.36nJ，重复频率的变化范围是52.54kHz到58.79kHz。（2）我们设计搭建了基于微光纤结构液相剥离BP溶液被动调Q掺镱光纤激光器。在泵浦功率55mW到155mW范围内，获得调Q脉冲的重复频率的变化范围是48.22～96.79kHz，最短单脉冲持续时间是950ns，最大输出功率是9.9mW及最大单脉冲能量是106.69nJ。因此，对比两种激光器实验结果可知，液相剥离BP溶液与微光纤产生的倏逝场相互作用更容易实现高能量调Q运转。

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第一章 绪论

1.1激光的产生及应用

1.2超快激光的发展历程

1.3可饱和吸收器件的发展历程

1.4光纤激光器的发展历程

1.5本论文的主要研究内容及创新点

第二章 脉冲光纤激光器理论分析

2.1调Q和锁模的基本原理

2.2可饱和吸收体的光学非线性特性

2.3二维材料常用制备方法

第三章 空间NPE被动锁模掺镱光纤激光器实验研究

3.1 NPE锁模原理

3.2基于空间NPE的全正色散光纤激光器实验研究

3.3本章小结

第四章 基于硫化钨和碲化铋的高能量调Q掺镱光纤激光器

4.1基于WS2薄膜可饱和吸收体的高能量调Q掺镱光纤激光器

4.2基于Bi2Te3薄膜可饱和吸收体的高能量调Q掺镱光纤激光器

4.3本章小结

第五章 基于黑磷调Q掺镱光纤激光器的实验研究

5.1黑磷介绍

5.2基于黑磷可饱和吸收体的光纤激光器研究进展

5.3黑磷可饱和吸收体的制备方法

5.4基于机械剥离BP的被动调Q掺镱光纤激光器实验研究

5.5基于液相剥离BP的被动调Q掺镱光纤激光器实验研究

5.6本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

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