【摘 要】
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超短脉冲激光在光通信、激光雷达以及生物医学等领域具重要应用。其中利用低维纳米材料作为可饱和吸收体（Saturable Absorber,SA）实现超短脉冲激光输出,是结构最简单、低成本、易高度集成的一种光学调制器件。制备良好非线性光学性质的材料,并通过调控纳米材料参数以提高脉冲激光输出性能,对超短脉冲激光器的发展具有重要意义和应用价值。本文制备了新型Fe3O4/Ti3C2 MXene（F/M）异质
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超短脉冲激光在光通信、激光雷达以及生物医学等领域具重要应用。其中利用低维纳米材料作为可饱和吸收体（Saturable Absorber,SA）实现超短脉冲激光输出,是结构最简单、低成本、易高度集成的一种光学调制器件。制备良好非线性光学性质的材料,并通过调控纳米材料参数以提高脉冲激光输出性能,对超短脉冲激光器的发展具有重要意义和应用价值。本文制备了新型Fe3O4/Ti3C2 MXene（F/M）异质结纳米材料,并研究了其宽带非线性光学特性,利用F/M材料制备的SA搭建了超短脉冲激光器,并对其孤子演化动力学过程进行了探讨。1.利用第一性原理计算,研究了 Fe3O4与F/M的能带结构。n型Fe3O4的间接带隙约为0.11eV,而与Ti3C2复合后无带隙,展现出金属性。接着提出一种新策略,通过自组装制备了 Fe3O4纳米颗粒（FONPs）与F/M异质结。通过功函数计算、表征以及建立能级模型等手段分析表明F/M存在界面耦合效应。最后利用Z扫描技术测量了 FONPs与F/M的非线性光学（NLO）性质,并证实了 F/M异质结具有更强的三阶NLO,其中非线性吸收系数为|βeff|=4.39 cm MW-1,非线性折射率n2=-2.9×10-3 cm2 GW-1,三阶非线性磁化率 |χ（3）|=1.5×10-10 esu。2.通过旋涂法制备FONPs与F/M薄膜并探究了其在1与1.3 μm的非线性吸收特性,其中F/M具有较大的调制深度和较低的饱和光强。利用透射耦合,实现了基于FONPs与F/M-SA的Nd:GdVO4被动调Q激光运转,证实了 F/M-SA具备更优的光学调制能力。在1μm波段,相对FONPs SA,脉冲宽度（脉宽）压缩0.61倍,峰值功率提高1.4倍,分别为99ns与5.3 W;在1.3 μm波段,脉宽被压缩了 0.7倍,峰值功率提高1.9倍,分别为292 ns与1.7 W。此外,在2 μm波段基于F/M-SA实现了 Tm:YLF被动调Q运转,脉冲能量1.56μJ,脉宽513 ns。3.通过进一步优化SA制备方法,制备了基于锥形光纤、D型光纤倏逝场作用的F/M-SA。测试了其在1与1.5 μm的非线性吸收特性,并搭建了掺Er3+、掺Yb3+光纤激光器。利用F/M-锥形光纤SA分别实现了波长1555.76 nm、脉宽773 fs、信噪比72 dB的传统孤子以及波长1040.89nm、脉宽438 ps、信噪比80 dB的耗散孤子。此外探究了 F/M-D型光纤SA的偏振相关特性。具备调制深度在0.9%-12.1%范围可调的特点,并实现了 1.5μm调Q、传统孤子、紧束缚态谐波孤子三种状态输出。调Q脉宽2.26 μs,传统孤子脉宽595 fs,紧束缚态孤子间距3 ps。最后数值模拟了上述孤子动力学过程,并进一步研究了紧束缚态孤子逐渐吸引靠近并进行能量交换的混沌演化行为,及F/M-SA的光谱滤波以及脉冲整形等重要作用。上述工作研究了 F/M-SA的非线性光学特性并实现了在超短脉冲激光器中的应用。该工作拓展了低维纳米材料在脉冲激光领域的应用,为新型脉冲激光器的设计提供了可行方案,并进一步填充了激光谐振腔内孤子演化的理论和现象。
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