基于新型二维材料可饱和吸收体的高重频锁模光纤激光器的研究

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高重频(high-repetition rate,HRR)锁模光纤激光器具有重复频率高、脉冲宽度窄、稳定性高、结构紧凑等特点,得到了科研人员的广泛重视,在激光通信、时频计量、光频梳、非线性显微镜、生物采样、激光测距、高速电光采样和激光加工等诸多尖端领域具有广泛应用前景。将二维材料作为可饱和吸收体(saturable absorber,SA)嵌入谐振腔中从而搭建的高重频锁模光纤激光器在其中扮演了重要角色。常见的二维材料包括石墨烯、碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)、黑磷(black phosphorus,BPs)、过渡金属硫属化物(transition-metal dichalcogenides,TMDs)、拓扑绝缘体、MXene、锑烯和铋烯等。与染料、半导体可饱和吸收镜等传统的可饱和吸收体相比,二维材料SA不仅具有良好的可饱和吸收特性,而且拥有制备难度低、节约成本和易兼容等优点,同时具备优良非线性光学特性。此外,由于二维材料所具有的独特层状物理结构,它们还有着工作波段宽、调制深度可控和恢复时间快等不可替代的优势。基于上述原因,本论文利用新型二维材料——铋氧碲(Bi2O2Te)作为可饱和吸收体搭建了锁模光纤激光器,实现了各种类型的锁模态,并产生了基于谐波锁模(harmonic mode-locking,HML)的高重频脉冲输出。此外,利用马赫增德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI)作为梳状滤波器件搭建了基于耗散四波混频(dissipative four-wave mixing,DFWM)的高重频光纤激光器,对激光器输出结果进行了讨论。主要研究内容如下:1.设计并搭建了一种基于二维材料Bi2O2Te可饱和吸收体的掺铒光纤激光器,分别观察到了基频孤子、束缚态孤子、调Q锁模和谐波锁模的脉冲输出。其中,基频脉冲重复频率为7.48 MHz,对应于时域上133.71 ns的脉冲间隔(与腔长严格对应)。脉冲中心波长为1559.44 nm,3-d B带宽为2.09 nm,信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)为67.25 d B。其次,分别观察到二阶、三阶和四阶束缚态孤子,其光谱中心波长和重复频率与基频孤子基本保持一致。光谱上可以观察到呈现调制周期的谱峰,相邻谱峰间隔分别为1.31 nm、1.3 nm和1.29 nm;自相关迹上出现多个峰,峰-峰间隔分别为6.2 ps、6.2 ps和6.3 ps,与傅里叶变换后的光谱调制周期匹配。最后,产生了高重频谐波锁模脉冲输出。脉冲中心波长为1558.9 nm,3-d B带宽为1.31 nm。在泵浦功率从79m W逐渐增大到466m W的过程中,依次观察到28阶、50阶、79阶、126阶、168阶205阶和238阶谐波锁模输出,脉冲间隔分别为4.8ns、2.7ns、1.7ns、1.1ns、0.80ns、0.65ns和0.56ns,对应于209.37MHz、373.88MHz、590.72MHz、942.17MHz、1.25622GHz、1.53288GHz和1.77965GHz的重复频率。2.通过在谐振腔内嵌入MZI和高非线性光纤,搭建了基于DFWM原理的高重频被动锁模光纤激光器。所引入MZI梳状滤波器的腔外消光比(extinction ratio,ER)为12.2d B,引入谐振腔内后ER>40d B。观察到基于DFWM的高重频输出,通过调谐MZI两臂的光延时差,分别得自由光谱范围(free spectral range,FSR)为0.21nm、0.43nm、0.96nm和2.55nm的稳定输出光信号,分别对应于脉冲间隔为38.9ps、19.0ps、8.5ps和3.2ps的高重频脉冲输出,对应重频依次为25.7GHz、52.6GHz、118GHz和313GHz。
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