基于硫化亚铜可饱和吸收体的掺铒光纤激器研究

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激光作为人类历史上的一大重要科学发明,划时代地改变了人类社会的各行各业,不可不谓为二十世纪最伟大的科学发明之一。自从1917年爱因斯坦于理论上提出受激辐射的概念后,在1960年,美国科学家西奥多·哈罗德·梅曼便根据微波激射器的启发制成了世界上第一台激光器,一台红宝石激光器。世界上第一台激光器诞生距今已有60年,在这60年间,激光器的发展日新月异,目前在科学研究、工业生产、医疗卫生、测距通信和军事应用等多个领域中,都有各式各样的激光器在发挥自己的作用,推动着人类社会的发展。光纤激光器则是以掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器。1960年第一台激光器发明后不久,第一台掺钕光纤激光器便于1961年应运而生,但是由于当时玻璃纤维损耗的原因,光纤激光器的发展一直较为缓慢。直到1960年华裔科学家高锟在理论上论证了光纤通信的可能性,及1970年康宁公司首次研制出低损耗光纤后,光纤激光器才迎来的迅猛的发展期。凭借其转换效率高、散热特性好、光束质量好以及结构简单等特点,目前光纤激光器已成为激光技术发展主流方向和激光产业应用主力军。利用调Q脉冲激光技术和锁模脉冲激光技术可以有效缩短脉冲宽度和提高峰值功率,满足各行各业中对于激光更窄的脉冲宽度和更高的峰值功率的追求。在光纤激光器领域,基于可饱和吸收体的被动调Q技术和被动锁模技术更加受人青睐。随着光纤激光器的迅速发展,各种可饱和吸收体的发展也日新月异。近几年来,随着低维材料的不断发展,越来越多的低维材料因其优异的光电特性,成为可饱和吸收体的候选材料,被广泛应用于光纤激光器中。本论文则聚焦于硫化亚铜纳米片这一新型二维材料,对硫化亚铜纳米片的可饱和吸收特性以及硫化亚铜可饱和吸收体在掺铒光纤激光器中的应用进行了探索与研究。硫化亚铜作为铜基硫族半导体化合物,虽然其原子结构不同于过渡金属二硫化物的MX2型结构,但二维层状硫化亚铜的非线性光学特性值得人们进一步关注。硫化亚铜已经凭借其优异的光电特性被广泛应用于诸如光电转换等多个领域,有理由相信硫化亚铜也可以凭借其优异的非线性光学特性作为可饱和吸收体应用于光纤激光器中。本论文利用醇热法制备了硫化亚铜粉末,并通过液相剥离法制备了硫化亚铜纳米片。并通过多种表征手段对制得的硫化亚铜纳米片进行了形貌表征。然后本论文利用了硫化亚铜纳米片分别制备了基于光学跳线端面的硫化亚铜可饱和吸收体和基于拉锥光纤的硫化亚铜可饱和吸收体。并通过自制的双平衡测量系统对两种硫化亚铜可饱和吸收体的可饱和吸收特性,如调制深度和饱和强度进行了测量。基于光学跳线端面的硫化亚铜可饱和吸收体的调制深度约为0.54%,饱和强度为100.7 MW/cm2。基于拉锥光纤的硫化亚铜可饱和吸收体的调制深度约为0.48%,饱和强度为263.3 MW/cm2。最后本论文利用所制得的不同的硫化亚铜可饱和吸收体在掺铒光纤激光器中获得了中心波长为1530 nm的调Q脉冲输出和锁模脉冲输出。当掺铒光纤激光器的泵浦功率增加到260mW以上时,由于掺铒光纤激光器中的基于光学跳线端面的硫化亚铜可饱和吸收体的作用,可以实现调Q脉冲输出。脉冲重复频率最高为71.43 KHz,脉冲宽度最窄为2.58 μs。将可饱和吸收体更换为基于拉锥光纤的硫化亚铜可饱和吸收体后,当泵浦功率大于352.5 mW时,获得了中心波长为1530 nm的锁模脉冲输出。脉冲宽度为896 fs,最大峰值功率为848 W,脉冲能量为0.76 nJ。本论文探索了硫化亚铜在非线性光学和超快光子学领域中的应用,首次获得了基于硫化亚铜可饱和吸收体的调Q脉冲输出和飞秒锁模脉冲输出。展示了硫化亚铜良好的非线性光学特性及超快光学特性,证明了硫化亚铜在作为非线性光学器件和超快光学器件方面仍然值得进一步深入探索,同时也客观上促进了硫化金属二维材料在非线性光学和超快光子学中的发展和应用。
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