新型宽带可饱和吸收体全光纤锁模激光器的研究

论文摘要

随着科技迅速发展,人们对于物质世界中各种自然以及非自然现象的认识能力越来越强,进而对所需工具的要求不断提升。特别是许多超快现象的研究需求不断增加,从而极大地促进了超短激光脉冲的发展。超短脉冲激光的窄脉宽以及高峰值功率等优势使得其在工业生产、激光通信、科学研究、极端探测、医疗器械及微型手术等领域有重要应用价值。从激光器最初诞生到现在的近六十年里,基于不同工作物质的激光器都得到了充分的发展及应用。特别是近年来,超短脉冲光纤激光器由于其具备极优的光束质量、强的抗干扰能力、简单的热管理、高程度的集约化、高的转换效率以及低廉的运行成本等优势进一步加快了激光器产业的实用化过程。实现超短脉冲的最常用方法为锁模技术,其中,基于可饱和吸收体的锁模方式由于更加简单方便,从而吸引了众多研究者的兴趣。然而,由于早期的技术手段以及材料本身性质的限制,可饱和吸收体（比如染料以及半导体可饱和吸收镜等）具有诸多缺陷,从而限制了脉冲激光器的进一步发展。随着纳米材料的飞速发展,各种新型的低维材料在超短脉冲光纤激光器中大放异彩,已经逐渐成为激光领域的一个重要焦点。基于这一研究背景,本论文以新型宽带可饱和吸收体（Saturable absorber,SA）全光纤激光器为对象进行了一系列研究,其中主要针对可饱和吸收体器件的制备方法以及工艺进行改进与优化,从而达到了提高光纤激光器性能的目的。具体论文内容如下:1.提出了一种与氧化石墨烯光学性质相似但水溶性更好的羧基氧化石墨烯（Carboxyl graphene oxide,GO-COOH）作为可饱和吸收体。将羧基氧化石墨烯制备成水溶液后与D型侧抛光纤结合,制成倏逝场型可饱和吸收体器件。将吸收体器件插入环形激光腔中,获得了脉宽500 fs,信噪比高达80 dB的稳定锁模掺铒光纤激光器。实验结果表明GO-COOH具有优异的可饱和吸收特性。采用D-型光纤不仅保证了激光器的全光纤结构,同时利用倏逝场与吸收体材料之间的相互作用可以进一步提高锁模器件的损伤阈值。2.研究了采用Langmuir-Blodgett（LB）技术制备的一种基于氟云母片（Fluorine mica,FM）的少层MoS2可饱和吸收体器件。厚度为20 μm的FM片作为可饱和吸收体器件的基底,其具有较高的损伤阈值以及良好的散热能力。LB技术制备的薄膜比传统的旋涂法制备的薄膜更加均匀致密,减小了非饱和损耗,可以有效降低激光器的腔内损耗。此外,相比于磁控溅射及化学气相沉积法,LB法制备的吸收体薄膜在常温常压下经历了连续相变而不会被损坏。将MoS2/FM SA器件应用在光纤激光器中,在不同的偏振态下得到了孤子锁模以及束缚态孤子锁模脉冲。实验结果证明LB法为制备表面致密紧凑,材料分布均匀的可饱和吸收体器件提供了一个低成本的有效方案。3.采用溶胶-凝胶法制备了一种新型MoS2/SiO2可饱和吸收体器件。制备溶胶-凝胶所采用的反应物为正硅酸乙酯、乙醇、水和盐酸,通过水解和缩聚反应得到前驱体溶胶,再加入MoS2水溶液得到MoS2/SiO2可饱和吸收体。这种SA器件的基底为无机物,在保护材料不被空气氧化的同时大大提高了吸收体的光学损伤阈值。将其应用于全正色散的掺镱光纤激光器中,在1030nm波长处成功实现了脉宽为13.8 ps,平均功率34.6 mW的耗散孤子脉冲。光谱中心波长以及3-dB带宽在7天内的波动低至0.9%,表明MoS2/SiO2锁模激光器具有非常好的稳定性。我们的工作表明,溶胶-凝胶型可饱和吸收体应用于光纤激光器中不但提升了激光器的性能参数,并且为改善光子器件的光学损伤阈值提供一种新的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 锁模光纤激光器概述
•   1.2 锁模光纤激光器的的脉冲特性
•     1.2.1 传统孤子脉冲
•     1.2.2 展宽脉冲
•     1.2.3 自相似脉冲
•     1.2.4 耗散孤子脉冲
•   1.3 被动锁模光纤激光器的实现方法
•     1.3.1 非线性偏振旋转锁模
•     1.3.2 非线性放大环形镜锁模
•     1.3.3 可饱和吸收体锁模
•   1.4 光纤激光器中可饱和吸收体的制备与封装方法
•   1.5 本论文主要研究内容及创新点
• 第二章 基于羧基氧化石墨烯的锁模掺铒光纤激光器
•   2.1 引言
•   2.2 羧基氧化石墨烯水溶液的制备与表征
•   2.3 GO-COOH可饱和吸收体器件的制备与光学特性
•   2.4 基于羧基氧化石墨烯的锁模光纤激光器
•   2.5 本章小结
• 2/FM SA锁模光纤激光器'>第三章 基于LB法的MoS₂/FM SA锁模光纤激光器
• 2/FM可饱和吸收体'>  3.1 LB法制备MoS₂/FM可饱和吸收体
• 2/FM LB膜的锁模光纤激光器装置图'>  3.2 MoS₂/FM LB膜的锁模光纤激光器装置图
•   3.3 实验结果与分析
•     3.3.1 孤子锁模
•     3.3.2 束缚态孤子锁模
•   3.4 本章小结
• 2/SiO₂可饱和吸收体的锁模光纤激光器'>第四章 基于MoS₂/SiO₂可饱和吸收体的锁模光纤激光器
• 2/SiO₂可饱和吸收体'>  4.1 溶胶凝胶技术制备MoS₂/SiO₂可饱和吸收体
• 2/SiO₂ SA材料表征和光学特性'>  4.2 MoS₂/SiO₂SA材料表征和光学特性
•   4.3 掺镱锁模光纤激光器
•   4.4 实验结果与讨论
•   4.5 本章小结
• 第五章 工作总结与展望
•   5.1 主要研究成果及其意义
•   5.2 对未来工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吕瑞东

导师: 王勇刚

关键词: 光纤激光器,被动锁模,孤子脉冲,可饱和吸收体

来源: 陕西师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 陕西师范大学

分类号: TN248

DOI: 10.27292/d.cnki.gsxfu.2019.000930

总页数: 78

文件大小: 7496K

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