基于石墨烯鎖模的摻鉺光纖激光器研究.pdf

1、摻鉺光纖激光器自上世紀八十年代誕生以來一直是光通信領域研究的熱點，其輸出特性經(jīng)歷了從連續(xù)運轉到單縱模輸出直至超快脈沖的產生等幾個階段，并在光纖通信、光纖傳感、生物醫(yī)療等領域發(fā)揮著越來越重要的作用。具有超快脈沖輸出特性的摻鉺光纖激光器因其脈沖持續(xù)時間極短和峰值功率極高等特點近年來逐漸成為研究的熱點。超快脈沖激光主要通過調Q和鎖模技術來實現(xiàn)，其中被動鎖模技術能產生皮秒乃至飛秒量級的超快脈沖且其系統(tǒng)結構簡單而備受青睞。被動鎖模是利用材料的非線

2、性吸收或非線性相變的特性來產生激光超快脈沖，目前，比較成熟的非線性材料有半導體可飽和吸收鏡和碳納米管可飽和吸收體。但是制作半導體可飽和吸收鏡需要相對復雜和昂貴的超凈制造系統(tǒng)，這類器件的典型恢復時間約為幾個納秒，且半導體可飽和吸收鏡的光損傷閾值很低，常用的半導體飽和吸收鏡吸收帶寬較窄。碳納米管是一種直接帶隙材料，帶隙大小由碳納米管直徑和屬性決定。不同直徑碳納米管的混合可以實現(xiàn)寬的非線性吸收帶，覆蓋常用的1.0～1.6μm激光增益發(fā)射波段。

3、但是由于碳納米管的管狀形態(tài)會產生很大的散射損耗，提高了鎖模閾值，限制了激光輸出功率和效率。所以，研究人員一直在尋找一種具有高光損傷閾值、超快恢復時間、寬帶寬和價格便宜等優(yōu)點的飽和吸收材料。近年來研究者發(fā)現(xiàn)石墨烯由于它獨特的零帶隙結構，對所有波段的光都無選擇性的吸收，且具有超快的恢復時間和較高的損傷閾值。因此利用石墨烯獨特的非線性可飽和吸收特性將其制作成可飽和吸收體應用于被動鎖模光纖激光器已經(jīng)成為超快脈沖激光器研究領域的熱點。本文正是基于

4、將石墨烯可飽和吸收應用于摻鉺光纖激光器來實現(xiàn)被動鎖模開展了理論和實驗研究，具體工作如下:
　　簡單介紹了摻鉺光纖激光器的研究進展，對并摻鉺光纖放大器和摻鉺光纖激光器的理論基礎做了分析。實驗研究了摻鉺光纖激光器的輸出特性與泵浦源功率、增益光纖長度以及腔長等因素之間的對應關系。利用摻鉺光纖熒光光源的光譜輸出特性，找到了實驗用摻鉺光纖激光器的最佳增益光纖長度。在此基礎上，介紹了光纖激光器的工作原理，開展了連續(xù)激光實驗，得到了穩(wěn)定的連續(xù)激

5、光輸出。
　　分析了超快脈沖產生的機理，介紹了調Q技術和鎖模技術實現(xiàn)超快脈沖輸出的理論依據(jù)，同時對三種常見的可飽和吸收體，即半導體可飽和吸收鏡、碳納米管和石墨烯可飽和吸收體，從制作方法、制作成本、吸收帶寬、損傷閾值、恢復時間和調制深度等幾個方面的特性進行了對比。
　　對石墨烯的能級結構及其獨特的光電特性進行了系統(tǒng)的研究;分析了石墨烯的超快弛豫過程和可飽和吸收的相關機理;分析了石墨烯極低的電阻率的物理機制。利用化學氣相沉積法制

6、備了高質量的單層石墨烯薄膜并分別利用濕法和干法將石墨烯薄膜轉移到光纖跳線氧化鋯插芯的端面上，由于該過程是層數(shù)可控的，我們分別轉移了一層、兩層和六層到三個不同的光纖跳線氧化鋯插芯的端面上，制成了三種層數(shù)不同的石墨烯可飽和吸收體并對其可飽和吸收特性進行了實驗研究。
　　實驗研究了基于不同參數(shù)石墨烯可飽和吸收體的摻鉺脈沖光纖激光器的光學輸出特性，得到了皮秒量級的鎖模輸出脈沖串。建立石墨烯可飽和吸收體參數(shù)與鎖模脈沖輸出之間的對應關系，并對