1-2μm寬波段調(diào)Q-鎖模光纖激光器的研究.pdf

1、光纖激光器因其結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)在材料加工、光通信、醫(yī)療和科學(xué)研究等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。目前，光纖激光器的年銷售額以～14％的速率穩(wěn)定增長(zhǎng)。脈沖光纖激光器不僅享有光纖激光器的固有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)兼具低功耗、高峰值功率、窄脈寬等特點(diǎn)，被視為最有潛力的激光源之一。然而，現(xiàn)在脈沖光纖激光器的市場(chǎng)占有率仍不甚理想。必須明確的是，脈沖光纖激光器面臨的一些難題大大制約了它的快速發(fā)展，具體包括:(1)已商業(yè)化的脈沖光纖激光器的主要

2、實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)主動(dòng)調(diào)Q/鎖模，需要在激光腔內(nèi)插入一個(gè)主動(dòng)型幅度調(diào)制器，而它們往往存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高昂和運(yùn)行波段窄等缺陷。與此相比，被動(dòng)調(diào)Q/鎖模光纖激光器能做到真正意義上的低成本和結(jié)構(gòu)緊湊。實(shí)現(xiàn)被動(dòng)調(diào)Q/鎖模的核心器件是可飽和吸收體(SA)，傳統(tǒng)的SA如摻雜晶體、SESAMs和SWNTs等存在工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴、難以光纖集成或無(wú)法寬帶吸收等瑕疵，因而尋找可飽和吸收性能良好、價(jià)格低廉、易于光纖集成的新型SA已成為當(dāng)前激光研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)

3、;(2)已知的傳統(tǒng)孤子、自相似脈沖、耗散孤子(DS)等鎖模脈沖都無(wú)法避免脈沖分裂，使得超快光纖激光源普遍輸出功率低(幾個(gè)mW)和單脈沖能量小（幾十pJ至幾個(gè)nJ），如果能直接獲得高功率大能量的超快激光種子源，將能有效減少放大級(jí)數(shù)，從而大大降低成本。因此，探索新型鎖模機(jī)制也是一個(gè)刻不容緩的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。
　　本學(xué)位論文瞄準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)高性能被動(dòng)調(diào)Q/鎖模光纖激光器這一前沿研究領(lǐng)域，圍繞三個(gè)主要波段1-，1.5-和2-μm新型二維材料被動(dòng)調(diào)Q/鎖

4、模光纖激光器、新機(jī)制鎖模大能量超快激光開(kāi)展了理論與實(shí)驗(yàn)研究，取得了一系列創(chuàng)新性成果，如:(1)首次將TI:Bi2Se3的可飽和吸收應(yīng)用拓展至1-μm波段;(2)首次利用MoS2實(shí)現(xiàn)了1-、1.5-和2-μm調(diào)Q激光，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了MoS2的超寬帶可飽和吸收特性;(3)第一次利用MoS2實(shí)現(xiàn)了寬帶波長(zhǎng)可調(diào)諧調(diào)Q激光;(4)理論計(jì)算了全負(fù)色散區(qū)SA參數(shù)對(duì)鎖模性能的影響，并利用GO-MoS2實(shí)現(xiàn)了1.5-和2-μm孤子鎖模;(5)首次利用石墨烯實(shí)

5、現(xiàn)了全正色散區(qū)多波長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)DS鎖模;(6)理論仿真了全正色散區(qū)耗散孤子諧振(DSR)的產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)中獲得了迄今為止綜合性能最佳的DSR輸出;(7)理論并實(shí)驗(yàn)地研究了全正色散區(qū)類噪聲脈沖(NLP)的產(chǎn)生。概括而言，本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新性研究成果如下:
　?、?深入研究了基于新型二維材料的被動(dòng)調(diào)Q光纖激光器。首先從EDFL的速率方程出發(fā)，重點(diǎn)考察了泵浦功率和SA調(diào)制深度對(duì)調(diào)Q脈沖的影響。然后在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了少層TI:Bi2Se3相比于體塊材料在

6、調(diào)Q應(yīng)用中的優(yōu)越性，除了實(shí)現(xiàn)1.5-μm EDFL調(diào)Q外，還首次利用少層Bi2Se3獲得了1-μnn YDFL調(diào)Q輸出。另外，搭建了平衡雙探頭測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試了新型二維材料MoS2的可飽和吸收特性，基于同一個(gè)MoS2-SA首次實(shí)現(xiàn)了1-、1.5-和2-μm寬波段調(diào)Q，其中2-μm TDFL調(diào)Q脈沖能量達(dá)到～1μJ，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了MoS2的寬帶可飽和吸收特性。基于此，利用MoS2首次獲得了寬帶(48.1 nm)波長(zhǎng)可調(diào)諧被動(dòng)調(diào)Q EDFL。

7、r>　?、?系統(tǒng)地研究了二維材料用于鎖模光纖激光器。理論仿真中，通過(guò)數(shù)值求解Ginzburg-Landau方程，首次分析了SA特征參數(shù)調(diào)制深度、飽和光強(qiáng)和初始透過(guò)率對(duì)全負(fù)色散TDFL鎖模性能的影響;另外，求解了全正色散YDFL中DS產(chǎn)生，并得出結(jié)論:腔內(nèi)濾波效應(yīng)導(dǎo)致DS脈沖分裂并引發(fā)NLP的產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)中，利用GO制備了高質(zhì)量的少層MoS2，并分別實(shí)現(xiàn)了1.5-μm及2-μm的孤子鎖模，在鎖模TDFL中觀察到能量量子化效應(yīng)，其鎖模階次從1

8、-12階可調(diào)。再者，利用熔錐光纖沉積石墨烯構(gòu)成鎖模器，結(jié)合其可飽和吸收特性和濾波效應(yīng)，首次在YDFL中實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)DS鎖模。
　?、?詳細(xì)研究了全正色散區(qū)DSR鎖模新機(jī)制。通過(guò)求解Ginzburg-Landau方程，對(duì)比得到周期性SA的峰值功率鉗制效應(yīng)是產(chǎn)生DSR的必要條件，并分析了輸出DSR矩形脈沖性能與泵浦功率、SA調(diào)制深度和飽和光強(qiáng)的變化關(guān)系;而腔內(nèi)周期性可飽和吸收特性、過(guò)高的光功率、強(qiáng)正色散等效應(yīng)的綜合作用也會(huì)導(dǎo)致平頂