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| 基于新型二维材料的超短脉冲光纤激光器研究 摘 要 产生皮秒或飞秒脉冲的超快光纤激光器不仅具备良好的光束质量，还具有极好的柔性与灵活性、可设计性、易于系统集成等优点。在过去的十几年里，在光通讯、光传感、激光医疗、工业加工、以及基础学科研究等领域受到了广泛的关注。获得超短脉冲的主要方法之一是被动锁模技术，其中的关键是在激光腔内引入可饱和吸收体（Saturable Absorber, SA）。当前市场上应用最广泛的可饱和吸收体为半导体可饱和吸收镜（Semiconductor Saturable Absorption Mirrors, SESAM）。然而，其价格昂贵、制作复杂、响应波长范围窄等缺点，使研究者和技术人员进一步寻求具备宽波段响应、高调制深度、低损耗、高热损伤阈值、高稳定性等特点的可饱和吸收体，来实现光纤激光器的优化与革新。二维层状材料石墨烯的出现，掀起了基于二维材料可饱和吸收体的研究热潮。包括拓扑绝缘体（Topological Insulator, TI）、过渡金属硫化物（Transition Metal Dichalcogides, TMDs）、黑磷（Black Phosphorus, BP）等二维材料，相继被证实具有可饱和吸收特性，并表现出了优异的性能。本论文从实验上对超快光纤激光器进行了讨论与分析，并详细介绍了基于黑磷和过渡金属硫化物可饱和吸收体材料的制备、表征、转移、非线性光学特性及其在超快激光中的应用。 首先，搭建了基于黑磷纳米片和黑磷量子点（Black Phosphorus Quantum Dots，BPQDs）聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate，PMMA）薄膜的可饱和吸收体锁模光纤激光器。用液相剥离法制备出黑磷纳米片，并且对黑磷纳米片的尺寸、形貌进行了表征分析，随后利用光沉积的方法制作了基于此材料的可饱和吸收器件，在通信波段获得了超快激光的输出；为了解决黑磷材料在空气中不稳定、易氧化的问题，本论文采用静电纺丝技术，将BPQDs包覆在PMMA纳米纤维薄膜中，形成透光率高、质地均匀的BPQDs/PMMA 复合纳米纤维薄膜。我们将BPQDs/PMMA复合纳米纤维薄膜作为可饱和吸收体用在被动锁模掺铒光纤激光器中，能产生中心波长1567.6 nm，脉宽为1.07 ps的超短脉冲。实验证明了这种复合材料既表现出优异的非线性饱和吸收特性，又克服了黑磷的氧化问题,提高了光纤激光器的稳定性。 另外，本文采用矿化剂辅助气相相变法生长硒掺杂黑磷晶体。这种方法成本低、高效、元素掺杂可控，为实现黑磷光电性能的调控提供了有效途径。继而我们用液相剥离得到了约4 nm厚度的硒掺杂黑磷纳米片。在此基础上，探索了掺杂后的黑磷光生载流子及其传输性质。证实了硒掺杂黑磷纳米片比黑磷纳米片本身更容易达到饱和光强，并且表现出优于黑磷本身的光学稳定性。基于前期的测试结果，我们最后将这种剥离的纳米片制成可饱和吸收体分别实现了负色散、近零色散光纤激光器稳定的锁模输出。 最后，本论文首次系统的研究了基于二硫化钛（Titanium Sulfide, TiS2）纳米片的可饱和吸收体的特性。采用热注入的胶体合成方法制备出形貌为均匀六边形、纯度高的二硫化钛纳米片，这种合成方法可以有效地调控材料的厚度和尺寸分布，以满足不同的实验需求。在Z扫描系统中测量了材料的非线性饱和吸收参量，证实了TiS2从可见到中红外波段的非线性可饱和吸收体特性。利用这一特性，我们进一步制备了基于TiS2纳米片的可饱和吸收器件，分别在光纤激光器中实现了中心波长为1569.5 nm脉宽为1.04 ps锁模输出，和全光阈值系统中，将脉冲的信噪比由1.9 dB优化至10.68 dB。结合TiS2本身的电学优势，使其在光电子器件方面有广阔的应用前景。 关键词：非线性光学；锁模光纤激光器；二维材料；黑磷；二硫化钛 |
