基于石墨烯鎖模全固態(tài)超快激光器件研究.pdf

1、超快脈沖具有優(yōu)秀的時域和頻域特征，自誕生以來一直受到廣泛的關(guān)注，其應(yīng)用已遍布科研、工業(yè)、軍事、環(huán)境、能源、通訊等與人們生活息息相關(guān)的各個領(lǐng)域，深刻影響了人類社會。當(dāng)前比較理想的超快脈沖源是利用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)實(shí)現(xiàn)的被動鎖模激光器，但是SESAM的制備需要有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE)等外延生長技術(shù)，過程復(fù)雜且成本較高，而且常用的半導(dǎo)體材料吸收帶寬窄，目前只能應(yīng)用在近紅外波段，這極大限制了超快激

2、光的發(fā)展。所以急需尋找一種新的可飽和吸收體，要求它具有SESAM的各種優(yōu)點(diǎn)，同時還能克服其缺點(diǎn)。最近幾年，人們發(fā)現(xiàn)石墨烯，也即單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的單晶功能材料，具有非常獨(dú)特的非線性光學(xué)飽和吸收特性。在石墨烯的可飽和吸收過程中存在兩個特征弛豫時間:通過載流子-載流子散射實(shí)現(xiàn)的帶內(nèi)載流子熱平衡，以及隨后的載流子-聲子散射和帶間載流子復(fù)合過程。帶內(nèi)載流子熱平衡的時間極短，在10-170fs范圍內(nèi)，可以有效產(chǎn)生飛秒脈沖。帶間

3、載流子復(fù)合相應(yīng)時間較長，在0.4-1.7ps左右，可以起到啟動鎖模產(chǎn)生皮秒脈沖的作用。石墨烯非線性可飽和吸收性能的探索已經(jīng)成為當(dāng)前激光領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，基于此，本論文對石墨烯在全固態(tài)激光器上的性能進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。系統(tǒng)研究了石墨烯的物理、光學(xué)特性;用Nd:GdVO4晶體作為增益介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了1.06μm和1.34μm的調(diào)Q激光;實(shí)現(xiàn)了1.06μm和1.34μm的石墨烯皮秒鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)，并與SESAM鎖模的情況進(jìn)行了詳細(xì)的對比和分析;基于腔內(nèi)

4、色散補(bǔ)償和腔型優(yōu)化，用Yb:KGW晶體實(shí)現(xiàn)了石墨烯飛秒鎖模激光并分析了其機(jī)理。研究結(jié)果說明石墨烯具有制備方法簡單易行，可飽和吸收性能優(yōu)秀，作用帶寬大，非飽和損耗小，損傷閾值高等顯著優(yōu)點(diǎn)，有非常廣闊的應(yīng)用前景。
　　 其內(nèi)容總結(jié)如下:
　　 1.對石墨烯獨(dú)特的能態(tài)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的電子傳輸性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究;分析了石墨烯線性吸收、可飽和吸收和超快弛豫過程的相關(guān)機(jī)理;理論計(jì)算了石墨烯在不同光波長的飽和通量和飽和光強(qiáng);分析了石墨烯

5、極高熱導(dǎo)率的物理機(jī)制。利用旋涂的方法將大尺寸的石墨烯樣品在反射鏡片上，分別制備成在1.06μm波段部分透射和在1.34μm波段全反的可飽和吸收鏡，測量了其透射光譜，在寬光譜范圍內(nèi)，飽和吸收鏡能產(chǎn)生穩(wěn)定的可飽和吸收，并且根據(jù)透過率結(jié)果可說明鍍在其上的石墨烯層數(shù)為2-10層。（第二章）
　　 2.研究了石墨烯調(diào)Q脈沖產(chǎn)生的時間特性，分析了不同階段中石墨烯的快飽和吸收效應(yīng)對脈沖形狀和強(qiáng)度的影響。將石墨烯可飽和吸收鏡作為調(diào)Q元件應(yīng)用在半

6、導(dǎo)體泵浦的1.06μmNd:GdVO4激光器上，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)，得到2.3W的平均輸出功率，這是當(dāng)前石墨烯調(diào)Q激光中取得的最高功率，測量脈寬為105ns，重復(fù)頻率為704kHz，計(jì)算單脈沖能量為3.2μJ，光光轉(zhuǎn)換效率和斜效率分別為35％和37％。首次研究了石墨烯在1.34μm的可飽和吸收效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了在這一具有重要應(yīng)用價(jià)值波段的穩(wěn)定調(diào)QNd:GdVO4激光運(yùn)轉(zhuǎn)，光束質(zhì)量接近單橫模，并且對比了不同泵浦功率和不同輸出鏡透過率下的平均功

7、率、脈寬、重復(fù)頻率和脈沖能量。用透過率3％的輸出鏡得到的平均輸出功率為260mW，脈寬為450ns，重復(fù)頻率為52kHz，脈沖能量為2.5μJ，光光轉(zhuǎn)換效率和斜效率是13.5％和21％。（第三章）
　　 3.研究了像散的補(bǔ)償、晶體熱效應(yīng)的補(bǔ)償，穩(wěn)定區(qū)的選擇對石墨烯鎖模激光器的影響;經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)諧振腔，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的1.06μmNd:GdVO4連續(xù)鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)，得到了最短16ps的脈寬，中心波長位于1065nm，半高寬為0.58nm，時

8、間帶寬積2.455，說明石墨烯電子聲子的強(qiáng)耦合作用導(dǎo)致了較大的正色散。相應(yīng)的平均輸出功率為360mW，脈沖能量為8.4nJ,光光轉(zhuǎn)換效率和斜效率分別為18.9％和22.5％。將鎖模和連續(xù)波運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行了對比，得到的輸出功率之比高達(dá)0.92;用透過率為4％的SESAM進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，得到的脈寬為14ps，平均輸出功率為50mW，脈沖能量為1.2nJ，光光轉(zhuǎn)換效率和斜效率分別為3.3％和2.6％。結(jié)果表明，相比于SESAM，我們制備的石墨烯

9、可飽和吸收鏡能實(shí)現(xiàn)更高效率皮秒鎖模。（第四章）
　　 4.首次研究了1.3μm石墨烯鎖模激光特性。用Nd:GdVO4晶體得到了脈寬11ps的穩(wěn)定鎖模，平均輸出功率達(dá)到了1.29W，光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到23％，水平和豎直方向上的輸出光束M2因子達(dá)到1.0和1.1，非常接近極限值;用傳統(tǒng)的SESAM進(jìn)行對比了對比實(shí)驗(yàn)，針對SESAM的性質(zhì)優(yōu)化了諧振腔后，得到了3.3ps的鎖模脈寬，這是當(dāng)前摻Nd晶體在1.3μm波段實(shí)現(xiàn)的最短脈寬，但是激

10、光閾值，平均功率，斜效率等均低于石墨烯鎖模。結(jié)果說明，石墨烯在1.3μm同樣具有優(yōu)異的可飽和吸收性能，在高效率低成本鎖模激光器上具有重要應(yīng)用前景。（第五章）
　　 5.理論研究了飛秒脈沖與介質(zhì)的非線性相互作用，分析了色散與啁啾、克爾透鏡效應(yīng)、自相位調(diào)制等非線性效應(yīng)對飛秒脈沖的影響并進(jìn)行了理論模擬;具體分析了孤子鎖模的機(jī)理;在此基礎(chǔ)上用Yb:KGW作為激光晶體，用兩片GTI鏡補(bǔ)償腔內(nèi)色散，實(shí)現(xiàn)了孤子飛秒激光運(yùn)轉(zhuǎn)，得到了428fs的

11、鎖模脈沖，平均輸出功率504mW，斜效率27％，連續(xù)激光到鎖模激光的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)93％，時間帶寬積經(jīng)計(jì)算為0.335，水平和豎直方向上的輸出光束M2因子分別為1.6和1.4;分析了在更高泵浦功率下脈沖分裂的原因。（第六章）
　　 論文的主要創(chuàng)新工作包括:
　　 1.首次制備了反射式和部分透射式的石墨烯可飽和吸收鏡，能夠作為激光諧振腔的腔鏡使用，大大降低了插入損耗，提高了激光效率。
　　 2.理論研究了石墨烯調(diào)Q、

12、皮秒鎖模和飛秒鎖模激光的機(jī)理，并詳細(xì)給出諧振腔設(shè)計(jì)思路和優(yōu)化方法。
　　 3.實(shí)現(xiàn)了平均輸出功率2.3W的1.06μm石墨烯調(diào)Q激光運(yùn)轉(zhuǎn)，這是當(dāng)前在石墨烯調(diào)Q激光器中獲得的最高功率。調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)與連續(xù)波運(yùn)轉(zhuǎn)的平均輸出功率之比高達(dá)92％，是當(dāng)前被動調(diào)Q激光的最高值。實(shí)現(xiàn)了1.06μm石墨烯皮秒鎖模激光運(yùn)轉(zhuǎn)，脈沖寬度16ps，平均輸出功率360mW。
　　 4.首次研究了石墨烯在1.34μm的調(diào)Q和鎖模性能。實(shí)現(xiàn)了平均輸出功率1