基于新型光子器件高重频光纤激光器的研究

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脉冲光纤激光器由于具有窄的脉冲宽度、高的峰值功率、光束质量好、转换效率高、散热特性好、紧凑的结构等优良的特性,使得它被广泛应用于材料加工、生物医疗、光通讯、科学研究、军事系统、遥感探测等领域。而为我们熟知的是,通过一定的技术把新型二维材料制造为可饱和吸收体器件用于超短脉冲激光的产生,无疑是最好的方式之一。尤其是目前基于二维材料的脉冲光纤激光器所产生的脉冲重复频率通常都低于1 GHz,而高重频脉冲光纤激光器由于具有独特的光束特性,使得它能被广泛应用于光频梳、光通信、非线性光学生物成像等方面。因此,这使得我们进一步的研究基于二维材料的高重频脉冲光纤激光器变得具有重要的意义。二维材料由于其元素丰富、环境友好和优良的光电特性而引起人们的广泛关注。特别是二维材料具有非线性折射率大、快速响应、大的非线性极化率、宽波段饱和吸收特性等优良的非线性光学特性,使二维材料在可饱和吸收体、波长转换器和光限幅器等领域具有广阔的应用前景。因此,进一步对二维材料的非线性光学特性的探索具有重要意义。一些传统的二维材料,如石墨烯、黑磷(BP)、石墨炔(GD)、MXene、铋烯、过渡金属硫化物(TMDs)作为可饱和吸收体,已被广泛研究,以此作为基本元件来实现超短脉冲激光。这些传统的二维材料表现出一些突出的性能,但也存在一些固有的缺点。目前MXene层较厚,单层或少层产率很低。因此,需要更有效的制备或分离方法来获得不同层数和性能的MXene材料。剥离的BP在暴露于空气和水中时很容易被氧化。因此,寻找和探索新的二维材料已成为急需解决的问题。在本文中,我们主要研究了 MXene Ti3C2Tx、硫化锡、和硫化银这三种材料的制备、非线性光学特性及它们被用于光纤激光器以此来实现高重频超短脉冲。我们通过双平衡探测系统分别测量了它们的非线性光学特性。MXene是通过选择刻蚀层状三元碳化物的MAX相位的A层制备的,称这种材料为MXene的原因是它类似于二维石墨烯,它的通式是Mn+1XnTx,M是早期过渡金属(Zr,Mo,Ti,Nb,V,Ta),X表示为C,N和CN,Tx代表了多种表面官能团(-OH,-O,和-F)。最后,MXene Ti3C2Tx纳米片具有调制深度为0.96%,低饱和光强为256.9 MW cm-2的饱和吸收特性被说明,并且基于二维MXene Ti3C2Tx可饱和吸收体实现了重复频率为218.4 MHz的谐波锁模。具有神秘色彩的二维半导体材料硫化锡,特别是它具有杰出的光学、电学和光电子学性能,引起了人们的广泛关注。它的光吸收系数可达104 cm-1。最后,硫化锡纳米片具有调制深度为5.8%,低饱和光强为52.2MW cm-2的饱和吸收特性被说明,并且基于二维材料硫化锡可饱和吸收体,实现了重复频率为459 MHz的105阶谐波孤子分子。硫化银,作为新型柔性高性能的二维过渡金属硫化物的一员,由于具有高的吸收系数(≈104 cm-1)、大的磁阻效应、小的直接带隙(0.9-1.1 eV),极低的溶解度(Ksp=6.3×10-50)、高的化学稳定性、低毒性、光限幅特性、非凡的类金属延展性、高的塑性变形应变、独特的层状结构而引起了人们的极大兴趣。最后,硫化银纳米片具有调制深度为15.5%,低饱和光强为250.4 MW cm-2的饱和吸收特性被说明,并且基于二维硫化银可饱和吸收体,实现了重复频率为1.1 GHz的229阶谐波孤子分子。
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