二维材料MoS2的宽谱超快光纤激光特性研究

摘要

二维材料石墨烯(单原子层)的成功剥落，使得二维材料在过去十几年间得以快速的发展，成为一种极具潜力的新型的光电子学材料。随着科技的进步，科学家又成功地制备出了如拓扑绝缘体、过渡金属氧化物、过渡金属硫化物、黑磷等新型的二维材料，使得二维材料的家族不断扩展，获得了人们越来越多的重视。这里的二维材料主要是指厚度为单原子层或接近单原子层的层状材料，电子的运动被限制在近二维的平面空间，量子局域效应对材料的电子行为及光电特性有显著影响。因为具有独特的性能以及高的表面体积比，二维材料在某些领域表现出非常优异的性能及巨大的应用潜质，比如新型的发光光源、光探测器、光调制器、传感器、太阳能电池、锂电电池等。
　　石墨烯的成功极大地推动了二维材料的发展，但石墨烯是一种无带隙材料，在某些领域限制了其性能，如难以实现高效发光、作为调制器得不到高的消光比等。而二维过渡金属硫化物（TMDCs）的出现及发展很好地弥补了石墨烯的缺陷，并且展示出诸多独特的光电特性，如强烈的自旋谷极化选择特性等。经过十来年的发展，二维过渡金属硫化物已经在光源、光探测、调制等光电器件领域展示出了优异的性能和广阔的应用前景。但是，二维过渡金属硫化物的非线性光学特性尚有许多领域亟待深入研究，特别是在近中红外、中红外等长波领域的非线性光电子特性方面，这方面的研究不仅能探索过渡金属硫化物二维材料的新的光电子效应和电子动力学行为，也将开辟二维材料的应用新领域。
　　本文主要集中于对过渡金属硫化物中的二维材料二硫化钼（MoS2）的非线性光电特性的研究。为了便于更好的理解二维材料的特殊性，文章对二维材料的结构、材料特性、制备方法等进行详细的综述。同时，还给出了基于第一性原理计算方法的VASP软件仿真结果，并对二维材料二硫化钼（MoS2）的工作机理做了深入而全面的阐述。尤其是二维材料二硫化钼作为非线性可饱和吸收体在超短脉冲光纤激光器方面的应用机理、应用优势以及材料要求，本文都做了详细的探讨与分析。
　　基于全面而详细的理论分析之后，便制备了不同参数的溶液型MoS2材料，该溶液性材料通过滴涂在高反射镜上便可得到层状MoS2可饱和吸收体。通过科学地设计MoS2可饱和吸收体（改变二维材料厚度、材料浓度等）和光纤激光器系统构型，通过不断的实验分析和调试，测得了二维MoS2材料从1μm到3μm的非线性光吸收特性，并将其应用到光纤激光系统中，成功地实现了从1μm到3μm的光纤激光器锁模或调Q激光脉冲输出。另外，根据二硫化钼材料宽光谱的特性，成功的实现了基于MoS2的锁模激光光谱数字输出，为二维材料在数字通讯、测量等系统中的应用打开了一扇窗。具体内容主要分为以下几部分：
　　1.文章讨论了 MoS2的结构、材料特性、主要应用、制备方法等。通过详细的对比研究，找到了获取高纯度，性能优异MoS2少层材料的方法。同时，文章利用第一计算原理对MoS2材料的宽谱特性进行了分析，为研究二维材料MoS2的光电特性提供了理论工具。同时，还对MoS2材料的非线性特性进行了详细的研究，证明了其是用于产生宽谱锁模激光器的合适材料。
　　2.文章设计了简洁的线性光纤激光腔，得到了以MoS2为可饱和吸收体的1μm调Q光纤激光器。激光器斜效率达到了63.89%，调Q输出的最大功率243.4 mW，对应的脉冲宽度1.53μs，脉冲能量高达5.9μJ。又通过优化光纤激光器结构，设计了环形光纤激光腔，实现了其在1微米波段的锁模。锁模激光最大输出功率2.6 mW，信噪比大于50 dB，脉冲宽度~300 ps。
　　3.基于MoS2原子配比缺陷特性，利用掺铥光纤及优化后的线性激光腔，将MoS2锁模/调Q光谱扩展到了2μm波段。系统调Q输出激光的中心波长为1888.2 nm，脉冲宽度1.62μs，带宽2.33 nm。锁模激光的输出波长为1904.38 nm，脉冲宽度为~774 ps，3dB带宽为17.6 nm。
　　4.基于1μm锁模系统以及MoS2材料的宽光谱特性，控制锁模系统中光纤的选取，实现PC对激光偏振态的大范围控制；进而实现了等间距的数字光谱输出。通过控制激光腔的长度进而控制数字光谱的间距。实验上通过调整偏振控制器（PC），实现了激光器在1057 nm、1063 nm、1069 nm、1075 nm等四个波长处的任意变换，四个波长的任意组合输出。从实验上第一次利用二维材料制作出了从0~15的四位二进制数字光谱。
　　5.根据前边已经验证的MoS2宽谱特性，重新设计了可以用于产生3μm激光的光纤激光器。利用ZEBLAN光纤实现了2754 nm波长的激光输出。第一次利用二维材料MoS2实现其在3微米波段的调Q激光输出。调Q输出激光的脉冲最大输出功率140 mW，最大脉冲能量~2μJ，脉冲宽度806 ns。实验上为二维材料MoS2向更长波长激光的研究提供了保障。

目录

第一章 绪论

1.1 二维材料MoS2的结构

1.2 二维材料MoS2的材料特性

1.3 二维材料MoS2的宽谱能带特性

1.4 二维材料MoS2的应用前景

1.5 二维材料MoS2的制备方法

1.6 少层MoS2可饱和吸收体在短脉冲激光中的研究现状

1.7 本文的研究意义及主要内容

参考文献

第二章 二维材料MoS2在1μm光纤激光器中的应用

2.1 引言

2.2 二维材料在1μm调Q上的应用

2.3 二维材料在1μm锁模上的应用

2.4 数字光谱系统的生成

2.5 总结

参考文献

第三章 二维材料MoS2在2μm短脉冲光纤激光器中的应用

3.1 二维材料广阔的应用前景

3.2 实验系统设计及实验研究

3.3 总结

参考文献

第四章 二维材料MoS2在3μm短脉冲光纤激光器中的应用

4.1 引言

4.2 MoS2材料制备与其特性简介

4.3 实验系统分析

4.4 实验结果与讨论

4.5 总结

参考文献

第五章 总结与展望

5.1 论文的主要研究内容

5.2 未来研究方向展望

博士期间发表和完成的论文

致谢

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