拓扑绝缘体及其他二维材料的可饱和吸收特性研究

论文摘要

短脉冲和超短脉冲激光器因为其优异的时域和频域特性,在工业加工、光通信、医疗、科研中有着非常广泛的应用。可饱和吸收体是实现脉冲激光的关键器件之一。但是传统的半导体可饱和吸收镜（SESAM）由于制备工艺复杂、吸收带宽较窄、成本较高在一定程度上限制了它的应用。最近几年,各种新型二维可饱和吸收体材料,如石墨烯、拓扑绝缘体、过渡金属硫化物等因为具有制备成本低和调制波段宽等优势引起了人们的极大关注。本论文主要研究了拓扑绝缘体、石墨烯和其异质结等二维材料的可饱和吸收特性,通过搭建Z扫描、I扫描和泵浦探测系统测量了它们的饱和强度、调制深度、弛豫时间等参数,制备了拓扑绝缘体、石墨烯及其异质结可饱和吸收体器件,并且将它们应用于全固态脉冲激光器中。本论文主要研究内容如下:第一章介绍了可饱和吸收体的发展、特别是二维材料可饱和吸收体,如石墨烯、拓扑绝缘体的发展现状,对二维材料的饱和吸收特性进行了归纳总结。同时介绍了二维可饱和吸收体在短脉冲和超短脉冲激光器中的应用。第二章介绍了二维可饱和吸收体的表征方法。主要是三阶非线性和超快动力学的表征。三阶非线性表征主要是通过Z-scan系统和I-scan系统的搭建完成的。超快动力学表征主要是通过简并和非简并泵浦探测系统来完成的。第三章,首次利用旋涂还原法（SCCA）制备了大面积均匀且厚度和覆盖率可调的Bi2Te3可饱和吸收体。测量了不同厚度Bi2Te3的饱和吸收体特性,发现随着样品厚度的增加,饱和强度变低,调制深度增大,并分析了变化机理。接着,将制备的Bi2Te3应用于全固态调Q激光器中,实现了输出参数可调节的高稳定性调Q脉冲输出。通过调制不稳定性（MI）和速率方程模拟了具有超低饱和强度Bi2Te3的过饱和行为,理论和实验相符。最后,将拓扑可饱和体应用在3.0 μm中红外调Q激光器中,首次实现了基于拓扑绝缘体的全固态3.0 μm中红外激光器运转。第四章,利用Bi2Te3的低饱和强度特性,结合较短的谐振腔和饱和吸收体上较大的模体积,首次实现了基于拓扑材料的全固态高重频锁模激光运转,平均输出功率181 mW,脉冲宽度8 ps,重复频率948 MHz。利用MBE方法生长的拓扑绝缘体（Bi0.2Sb0.8）2Te3,利用耦合腔锁模（RPM）的方法,解决了MBE生长的拓扑材料吸收损耗大和损伤阈值较低的问题,实现了稳定的调Q锁模运转。第五章,通过改变反射镜膜系结构,调控反射镜上单层石墨烯电场强度,进而调控石墨烯可饱和吸收镜（GSAM）的饱和强度、调制深度和非饱和损耗。实验中制备了吸收分别为2.78%和9.2%的两种GSAM,并将它们应用于1.3 μm全固态锁模激光器中,分析了不同吸收GSAM对激光输出功率和脉冲宽度的影响。此外,通过插层法制备了石墨烯/二硫化钼复合材料,并将其应用于Yb:CALGO激光器中,实现了92 fs脉冲宽度的飞秒激光输出,这是目前基于石墨烯/二硫化钼可饱和吸收体获得的最窄脉冲宽度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   §1.1 可饱和吸收体材料的发展
•     §1.1.1 半导体可饱和吸收镜（SESAM）
•     §1.1.2 石墨烯
•     §1.1.3 二硫化铝
•     §1.1.4 拓扑绝缘体
•   §1.2 可饱和吸收体在脉冲激光中的应用
•     §1.2.1 基于可饱和吸收体的被动调Q激光器
•     §1.2.2 基于可饱和吸收体的被动锁模激光器
•   §1.3 本论文主要研究内容及创新点
• 第二章 可饱和吸收体材料的表征
•   §2.1 可饱和吸收体材料三阶非线性表征
•     §2.1.1 三阶非线性原理
•     §2.1.2 Z扫描
•     §2.1.3 I扫描
•   §2.2 可饱和吸收体材料超快动力学表征
•     §2.2.1 超快光谱技术的发展
•     §2.2.2 泵浦探测技术
•     §2.2.3 泵浦探测中的动力学理论
•     §2.2.4 自相关系统
•     §2.2.5 简并泵浦探测
•     §2.2.6 非简并泵浦探测
• 第三章 基于拓扑绝缘体调Q激光特性研究
• 2Te₃1.0 μm波段被动调Q激光器'>  §3.1 基于SCCA制备的Bi₂Te₃1.0 μm波段被动调Q激光器
•     §3.1.1 二维可饱和吸收体制备方法
• 2Te₃可饱和吸收体'>    §3.1.2 SCCA法制备Bi₂Te₃可饱和吸收体
• 2Te₃可饱和吸收体非线性测试'>    §3.1.3 Bi₂Te₃可饱和吸收体非线性测试
• 2Te₃可饱和吸收体被动调Q激光器'>    §3.1.4 SCCA法Bi₂Te₃可饱和吸收体被动调Q激光器
• 2Te₃在光调制过程中的过饱和现象'>  §3.2 Bi₂Te₃在光调制过程中的过饱和现象
• 2Te₃的过饱和行为'>    §3.2.1 Bi₂Te₃的过饱和行为
•     §3.2.2 数值模拟分析过饱和行为
• 2Se₃ 3.0μm波段中红外被动调Q激光器'>  §3.3 Bi₂Se₃3.0μm波段中红外被动调Q激光器
•   §3.4 本章小结
• 第四章 基于拓扑绝缘体的锁模激光特性研究
•   §4.1 基于SCCA拓扑绝缘体的高重频被动锁模激光器
•     §4.1.1 SCCA拓扑绝缘体的制备和表征
•     §4.1.2 基于SCCA拓扑绝缘体的被动锁模激光器
•   §4.2 基于MBE方法生长的拓扑绝缘体调Q锁模激光器
•     §4.2.1 MBE法拓扑绝缘体的表征及损伤阂值测量
•     §4.2.2 基于MBE法拓扑绝缘体调Q锁模激光器
•   §4.3 本章小结
• 第五章 基于石墨烯和其异质结的被动锁模激光器研究
•   §5.1 基于吸收可调的石墨烯被动锁模激光器
•     §5.1.1 吸收可调石墨烯的制备和表征
•     §5.1.2 基于吸收可调石墨烯的被动锁模激光器
•   §5.2 基于石墨烯/二硫化钼异质结光调制的亚百飞秒超快激光器
•     §5.2.1 石墨烯/二硫化钼的制备和表征
•     §5.2.2 基于石墨烯/二硫化钼光调制的亚百飞秒激光器研究
•   §5.3 本章小结
• 第六章 总结
•   §6.1 结论及创新点
•   §6.2 有待进一步研究的问题
• 致谢
• 攻读学位期间参加的项目、获得的奖励及发表的论文
• 参考文献
• 附发表论文两篇
• 学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王祎然

导师: 何京良

关键词: 二维材料,拓扑绝缘体,石墨烯,全固态激光器,锁模

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,化学,无线电电子学

单位: 山东大学

分类号: TN248;O613.71

总页数: 135

文件大小: 13377K

下载量: 399