基于石墨烯的可调被动锁模光纤激光器的研究

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锁模技术是实现飞秒超短脉冲的主要方法之一。根据在脉冲压缩过程是否引入外界激励源,该技术分为主动和被动方式;而根据激光器内工作物质的不同,锁模激光器又包括全固态和全光纤形式。相比之下,被动锁模光纤激光器具有结构轻巧、操作简单安全、脉冲信号输出稳定、热损伤阈值高、使用寿命长等特点,因而备受科研领域的关注。  时至今日,被动锁模光纤激光器的搭建形式已经多种多样。常见的机制包括非线性偏振旋转锁模(NPR)、非线性环形镜“8”字腔锁模(F8L)和基于半导体可饱和吸收镜(SESAM)的锁模。其中前两种方式易受环境影响而导致输出信号不稳定;而后者则具有器件制备条件苛刻、工作波段较窄等不利因素。  最近几年,以碳纳米管(CNT)和石墨烯为首的新型碳纳米材料风靡世界,将二者作为饱和吸收体被动锁模可以实现高效、稳定的飞秒脉冲激光输出。相比于碳纳米管易团聚、形貌结构(直径、手性)难控制等缺点,石墨烯因其具有完美的二维结构、独特的能带分布、优异的光电性质等特点,自2004年被发现以来更是引发了世界的疯狂。2010年,为表彰在石墨烯材料方面做出的贡献,其发现者K.S.Novoselov和A.K.Geim荣获了诺贝尔物理学奖。在此背景下,本文主要研究了以石墨烯为饱和吸收体的被动光纤锁模技术,并结合石墨烯的光电性质对锁模脉冲进行了调控。具体工作如下:  1、简要介绍了石墨烯作为饱和吸收体被动光纤锁模技术的发展历程,进而详细讨论了石墨烯独特的光电特性,包括可饱和吸收性、光偏振特性及场效应双极特性,为后文的实验工作奠定理论基础。  2、成功搭建了环形腔全光纤被动锁模激光器。在泵浦光源输出120mW左右时,适当调节光纤回路的偏振态,激光器可稳定输出中心波长为1564.2nm,重复频率约为14MHz,3dB光谱带宽为9.1nm的超短脉冲。经自相关迹检测及计算分析可知,所得脉冲脉宽约为900fs。  3、制备了基于CVD石墨烯的三明治结构的新型饱和吸收体,经测试其偏振敏感性显著。在此基础上利用石墨烯与拉锥光纤的相互作用,通过锁模激光器光纤环形腔中偏振态的改变,可以实现3dB光谱为7.58nm、脉宽为160fs的调控。经对比,应用此新型饱和吸收体的偏振敏感特性,可有效提高调控幅度。  4、制备了CVD石墨烯场效应晶体管,总结了这种晶体管调控电信号的规律,并利用石墨烯的场效应双极特性对连续光信号和脉冲光信号进行调控。由于CVD石墨烯表面缺陷多、易吸附空气分子等因素,此调控结果并不理想。但利用场效应双极特性调控石墨烯费米面能级分布,进而调控光纤环路中其饱和吸收能力的思路是比较先进的。因此,有希望在今后的实验中对此结果进行改善。
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