基于二維納米材料的光纖激光器研究.pdf

1、光纖激光器主要通過調Q技術和鎖模技術來實現激光脈沖輸出。在光纖激光器內使用可飽和吸收體，對激光諧振腔內的光束進行調制，就有可能實現被動調Q和被動鎖模脈沖輸出。因此，這就對可飽和吸收體提出了要求，可飽和吸收體本身需要具有寬的工作帶寬、快的響應速度和低的損耗。此外，為了能夠獲得高能量的脈沖輸出，可飽和吸收體的調制深度以及損傷閾值也是需要考慮的因素。半導體可飽和吸收鏡是目前應用最廣泛的可飽和吸收體，但是由于其制備工藝復雜，價格昂貴，工作帶寬較

2、窄，限制了應用。隨著材料技術的發(fā)展，碳納米管和石墨烯已經成功制備并應用于光纖激光器，表現出優(yōu)異的性能。不過，碳納米管的工作波段對管徑和手性要求比較苛刻，這使得高效的適合波段的可飽和吸收體比較難以制備。石墨烯可飽和吸收體具有寬帶工作、低損耗，響應快等優(yōu)點，滿足近紅外波段激光器的應用需求。但是，石墨烯材料本身零帶隙的電子結構，較低的調制深度等，都限制了其在高能量激光器中的應用。因此，科學研究人員繼續(xù)嘗試尋找具有寬帶非線性吸收、超快響應時間、

3、低損耗、調制深度大、高損傷閾值、低成本等優(yōu)點的新型可飽和吸收體材料。作為一種新型的二維納米材料，拓撲絕緣體材料是一種新型的量子態(tài)物質。不同于傳統意義上的絕緣體和金屬，拓撲絕緣體的體材料呈現絕緣態(tài)，而其表面或者邊緣卻呈現金屬態(tài)。此外，二維納米材料過渡金屬硫化物優(yōu)異的非線性光學特性也引起了科研人員的廣泛關注。本文基于兩種典型的二維納米材料，拓撲絕緣體和硫化鉬，系統研究了拓撲絕緣體和硫化鉬的制備、轉移及其在調Q和鎖模光纖激光器中的應用。

4、>　　（1）為了搭建光纖激光器系統，實現被動調 Q和鎖模脈沖輸出，首先制備高質量的可飽和吸收體材料。使用溶劑熱方法，制備了二維的拓撲絕緣體碲化鉍納米片。碲化鉍納米片粒徑非常均勻，大小基本一致，幾乎所有的納米片都呈現六邊形的形狀。顆粒尺寸大小均勻，表面比較平整，厚度在10nm左右，寬度在500nm-800nm之間。
　　（2）使用制備的二維碲化鉍納米片，制備用于光纖激光器中的可飽和吸收體器件，并實現被動調Q和鎖模脈沖輸出。使用自組裝

5、技術，在光纖頭上形成自組裝薄膜，并按照要求對膜層的厚度進行了調控。不同厚度的可飽和吸收體，具有不同的非線性光學吸收特性。原始較厚的碲化鉍自組裝層飽和吸收體的調制深度為20.56％，飽和強度為17.46MW/cm2。當將碲化鉍自組裝層減薄后，在其他測試條件不變的情況下，調制深度變?yōu)?2.93%，飽和強度變?yōu)?1.28MW/cm2。使用不同厚度的可飽和吸收體器件，在同一個光纖激光器諧振腔內分別實現調Q和鎖模脈沖輸出。當拓撲絕緣體膜層較厚時，

6、得到單脈沖能量達到278.8nJ的調 Q脈沖輸出。當拓撲絕緣體膜層較薄時，得到脈沖寬度為448fs的鎖模脈沖輸出。
　　（3）為進一步提高基于新型二維納米材料光纖激光器的性能，開發(fā)了一種具有新型三明治結構的可飽和吸收體器件。使用聚合物PMMA作為上下兩層夾層，中間為拓撲絕緣體自組裝薄膜，制備了一種新型的PMMA-TI-PMMA夾層可飽和吸收體。這種新型的雙PMMA層結構，可以有效保護碲化鉍的自組裝層，使其具有較大的力學強度，不易產

7、生褶皺和破裂。此外，由于夾層結構隔絕了空氣與碲化鉍本身的接觸，可以有效防止碲化鉍被氧化，達到比較高的化學穩(wěn)定性。
　?。?）利用PMMA-TI-PMMA的新型可飽和吸收體器件，在摻鉺環(huán)形光纖激光器中，實現了正色散的耗散孤子脈沖輸出。中心波長1571nm，3dB帶寬為39.95nm，脈沖寬度為4.72ps，時間帶寬積為22.9，具有比較大的啁啾。平均輸出功率為11mW,對應單脈沖能量達到1.03nJ。
　?。?）使用少層二維納