基于二维材料的锁模光纤激光器的研究

作     者：陆菲菲 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：刘雪明

授予年度：2017年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0803[工学-光学工程] 

主      题：掺铒光纤激光器 石墨烯 二硫化钼 超短脉冲 锁模激光 谐波 

摘      要：超短脉冲激光在光纤通信、医药领域、工业、激光打标等方面有重要的应用,而产生超短脉冲最普遍的方法就是采用被动锁模技术,实验中采用的被动锁模光纤激光器是目前研究比较广泛的激光器。它与固体激光器相比,具有比较明显的优势,比如结构紧凑、体积小,价格便宜等特点。最初采用NPR技术等类饱和吸收体实现被动锁模,但其易受环境影响,不易实现自启动等缺点导致二维材料的研究进入鼎盛时期,近年来,像石墨烯,碳纳米管,及硫族化合物等材料被用作可饱和吸收体作用于光纤激光器中,展现出了损伤阈值高,饱和吸收性能好、成本低的优点,为光纤激光器的发展提供了有力的帮助。本论文主要分析了二维材料作用于被动锁模光纤激光器中的实验现象,研究了不同边带锁模及多波长锁模的脉冲输出,并在锁模器件的制作上采用了微操作方法实现了损耗小于3dB的可饱和吸收体。论文的主要研究成果如下:1.由于将二维材料贴到光纤接头和覆盖到D型光纤上这两种锁模器件的制作方法比较常见,于是提出了新的可饱和吸收体的制作方法,即全表面包裹技术,这种方法提高了光与石墨烯相互作用的效率,也提升了锁模器件和激光器的性能。此方法是将二维材料包裹到微光纤的锥区,实现了锁模脉冲的输出。由于此方法存在损耗较大,材料浪费严重,以及包裹并不完全紧实等缺点,而对此方法做了进一步改造,采用微操作方法实现了损耗小于3dB,材料宽度低至20μm的优秀结果,成功制作出了新的锁模器件。此锁模器件对新型光纤激光器的发展具有推动作用。2.基于二硫化钼包裹微光纤的可饱和吸收体,提出了一种可以实现光谱具有不同边带的被动锁模光纤激光器。通过改变泵浦功率或者调节腔内偏振极化状态实现了三种不同类型的孤子边带。但这三种边带的形成原因不同。峰边带即Kelly边带是由孤子和色散波之间的相互干涉引起的,而峰-谷边带、谷边带是由孤子的二倍周期歧化效应造成的。同时,光谱边带的产生与谐振腔的腔长、脉冲宽度及腔内的净色散有关。3.将化学气相沉积法制作的二硫化钼包裹到微光纤上,作用于含有偏振相关隔离器的环形光纤激光器中。在材料与NPR效应共同作用下产生单波长、双波长、双波长不同边带及三波长的传统孤子脉冲锁模。双波长不同边带的产生是实验中第一次被发现的现象。当腔内损耗与增益竞争达到平衡状态时可出现双波长锁模。当环形光纤激光器中仅以二硫化钼作为可饱和吸收体时,通过改变泵浦功率或者调节偏振控制器实现了双折射滤波效应,从而产生了比较少见的四波长锁模。实验中采用的锁模器件有效克服了二硫化钼损伤阈值低的特点,增强了光与二硫化钼的相互作用。4.将二硫化铼薄膜包裹到微光纤上插入到光纤激光器中,由于材料二硫化铼可饱和吸收作用和三阶非线性效应,可以产生318.5MHz的谐波锁模,对应于168次谐波,即是基频1.896MHz的168倍。输出功率随着泵浦功率线性变化,然而脉冲间隔基本保持不变。这样的高重频脉冲激光器具有孤子通信和光频梳的潜在应用。