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(jì)八十年代誕生以來一直是光通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，其輸出特性經(jīng)歷了從連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)到單縱模輸出直至超快脈沖的產(chǎn)生等幾個(gè)階段，并在光纖通信、光纖傳感、生物醫(yī)療等領(lǐng)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(shí)間極短和峰值功率極高等特點(diǎn)近年來逐漸成為研究的熱點(diǎn)。超快脈沖激光主要通過調(diào)Q和鎖模技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，其中被動(dòng)鎖模技術(shù)能產(chǎn)生皮秒乃至飛秒量級(jí)的超快脈沖且其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而備受青睞。被動(dòng)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(chǎn)生激光超快脈沖，目前，比較成熟的非線性材料有半導(dǎo)體可飽和吸收鏡和碳納米管可飽和吸收體。但是制作半導(dǎo)體可飽和吸收鏡需要相對(duì)復(fù)雜和昂貴的超凈制造系統(tǒng)，這類器件的典型恢復(fù)時(shí)間約為幾個(gè)納秒，且半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的光損傷閾值很低，常用的半導(dǎo)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(shí)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(huì)產(chǎn)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(fù)時(shí)間、寬帶寬和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)的飽和吸收材料。近年來研究者發(fā)現(xiàn)石墨烯由于它獨(dú)特的零帶隙結(jié)構(gòu)，對(duì)所有波段的光都無(wú)選擇性的吸收，且具有超快的恢復(fù)時(shí)間和較高的損傷閾值。因此利用石墨烯獨(dú)特的非線性可飽和吸收特性將其制作成可飽和吸收體應(yīng)用于被動(dòng)鎖模光纖激光器已經(jīng)成為超快脈沖激光器研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。本文正是基于

4、將石墨烯可飽和吸收應(yīng)用于摻鉺光纖激光器來實(shí)現(xiàn)被動(dòng)鎖模開展了理論和實(shí)驗(yàn)研究，具體工作如下:
　　簡(jiǎn)單介紹了摻鉺光纖激光器的研究進(jìn)展，對(duì)并摻鉺光纖放大器和摻鉺光纖激光器的理論基礎(chǔ)做了分析。實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度以及腔長(zhǎng)等因素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。利用摻鉺光纖熒光光源的光譜輸出特性，找到了實(shí)驗(yàn)用摻鉺光纖激光器的最佳增益光纖長(zhǎng)度。在此基礎(chǔ)上，介紹了光纖激光器的工作原理，開展了連續(xù)激光實(shí)驗(yàn)，得到了穩(wěn)定的連續(xù)激

5、光輸出。
　　分析了超快脈沖產(chǎn)生的機(jī)理，介紹了調(diào)Q技術(shù)和鎖模技術(shù)實(shí)現(xiàn)超快脈沖輸出的理論依據(jù)，同時(shí)對(duì)三種常見的可飽和吸收體，即半導(dǎo)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(fù)時(shí)間和調(diào)制深度等幾個(gè)方面的特性進(jìn)行了對(duì)比。
　　對(duì)石墨烯的能級(jí)結(jié)構(gòu)及其獨(dú)特的光電特性進(jìn)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(guān)機(jī)理;分析了石墨烯極低的電阻率的物理機(jī)制。利用化學(xué)氣相沉積法制

6、備了高質(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移了一層、兩層和六層到三個(gè)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(duì)其可飽和吸收特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
　　實(shí)驗(yàn)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(xué)輸出特性，得到了皮秒量級(jí)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(duì)應(yīng)關(guān)系，并對(duì)