基于纳米材料的超快光学特性研究

论文摘要

超短脉冲激光器在工业加工、光纤通信、光学显微、激光制导武器、空间测距、生物医学等诸多领域有着广泛的应用。全光纤系统内的超短脉冲激光器相比较固体激光器、染料激光器以及其他激光器,由于有着体积小、热效应低、成本低、易于装配、集成以及运输等独特优势,所以在全光纤系统内获得超短脉冲光纤激光是一个热门的研究方向。产生超短脉冲激光的方法有调Q和锁模技术,而锁模技术又被分为主动锁模和被动锁模,被动锁模技术相比较主动锁模技术有着结构简易、设计灵活的优点。常见的被动锁模技术包括非线性偏振演化（NPE）、非线性放大环形镜（NALM）、非线性光学环形镜（NOLM）、半导体可饱和吸收镜（SESAM）等。除此之外,还可以使用基于纳米材料的可饱和吸收体（SA）来实现被动锁模从而获得超短脉冲激光。这些纳米材料有着诸多优秀的特性,例如易于制备、材料和光可以通过各种方式来相互作用、有着随入射光强度而变化的非线性光学透过率、稳定的机械性能、超快的恢复时间等诸多优点。本文介绍了铋烯、石墨炔、金纳米棒这三种纳米材料的光学非线性特性并且制备了基于它们的可饱和吸收器件,随后把基于纳米材料的可饱和吸收体应用于波长为1.5微米的近红外被动锁模超短脉冲光纤激光器,并且获得了脉冲宽度为皮秒到百飞秒量级的脉冲输出。秘烯（Bismuthene）是铋的二维形式,它是一种有着可调谐窄带隙且无磁性的二维材料,它的微观原子排布结构是褶皱的蜂窝状,和黑磷有着相似的结构,它自身有着高载流子迁移率、拓扑相变、高温量子自旋霍尔效应、室温稳定性以及超快光子响应等特性,可以被用于设计光学器件、自旋霍尔器件等。石墨炔（GDY）是第一个通过sp和sp2杂化方式形成的碳的同素异形体,它有着二维平面网格状的结构,有着优秀的电子特性、机械性能,因此被应用于气体分离、能源储存和锂离子电池等诸多领域,但是其非线性光学特性的研究还鲜有报道。金纳米棒（GNRs）是一种尺度在纳米量级的棒状金颗粒,有着物理稳定性、吸光度随粒径比的变化而变化等性质。它对近红外的光波有一定的吸光度,尤其是对波长为1.5微米的光波有着相较于其他近红外光有更强的吸光度,因此可以被考虑作为宽带吸收材料而被应用于光电器件。本文所做的主要研究内容与结构安排如下:第一章首先介绍了被动锁模超短脉冲光纤激光器及其发展历史,随后从理论的方面阐述了被动锁模光纤激光器中的脉冲形成机制,其次说明了基于新型纳米材料的可饱和吸收体在获得被动锁模光纤激光器的研究进展和其对研究超快光子学、非线性光学领域等的重要意义。在第二章中,先使用扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱仪（Ramanspectroscopy）和 X 射线衍射（X-Ray diffraction,XRD）等测试手段测试了少层铋烯样品的特性。随后介绍了制备拉锥微纳光纤的方法,并把其和少层铋烯通过光学诱导沉积效应耦合制备了可饱和吸收体。测量了铋烯可饱和吸收体的非线性光学特性并且把它应用于近红外被动锁模掺铒光纤激光器,获得脉冲宽度为皮秒量级的高分裂阈值传统孤子和谐波双波长锁模。在第三章和第四章中,用类似的方法研究了石墨炔和金纳米棒的可饱和吸收特性并且将其应用在近红外超短脉冲光纤激光器中,获得了脉冲持续时间在百飞秒量级的超短脉冲激光。第五章总结了整篇文章的研究内容。总结了主要研究成果和问题,并描述了未来需要继续深入研究的问题。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郭朋来

导师: 李晓辉

关键词: 超短脉冲光纤激光器,铋烯,石墨炔,金纳米棒

来源: 陕西师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

单位: 陕西师范大学

分类号: TN248;TB383.1

DOI: 10.27292/d.cnki.gsxfu.2019.001196

总页数: 53

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