低維納米材料的非線性光學特性及其在被動光纖脈沖激光器中的應用研究.pdf

1、石墨烯優(yōu)良的非線性特性在激光器領域的廣泛應用極大激發(fā)了人們對低維納米材料優(yōu)良光電性能探索的同時，其零帶隙特性帶來的低開關比以及不能和硅兼容等缺點也在促使人們尋求新的解決方案。除了采用各種方法打開石墨烯的帶隙之外，人們也在不斷尋求其他性能優(yōu)越的低維納米材料，來彌補石墨烯的不足。以二硫化鉬（MoS2）和二硫化鎢（WS2）為代表的過渡金屬硫化物是一類新型的層狀材料，能夠應用于可見光至近紅外波段。而且，隨著層數的減少，其能帶的躍遷方式逐漸由間接

2、躍遷轉為直接躍遷，相應的吸收和發(fā)射譜也有很大差異。相應的非線性測量表明，二硫化鉬的非線性吸收特性要優(yōu)于石墨烯。與過渡金屬硫化物類似，黑磷也是一種能帶結構隨層數變化的層狀材料，其能帶間隙恰好覆蓋了中紅外波段，填補了石墨烯與過渡金屬硫化物之間的能帶間隔，加之其各向異性的光學性質和在室溫下可達2×105cm2/V·s的電子遷移率使得黑磷備受研究人員的青睞。
　　本文針對兩類典型的新型低維材料在多個波段的非線性光學特性進行了實驗研究。對單

3、層二硫化鎢二維晶體、多層二硫化鎢納米片、黑磷納米片以及黑磷量子點的寬波段飽和吸收特性進行了研究，獲得了幾種低維材料分別在800nm、1550nm以及2μm波段的非線性吸收參數，發(fā)現(xiàn)了低維納米材料對各個波段的非線性吸收規(guī)律，剖析了低維納米材料在每個波段下的非線性吸收過程以及主導的非線性吸收機制，測量了單層二硫化鎢以及黑磷低維納米材料的三階非線性折射率；根據測量得到的非線性光學參數，討論了低維納米材料作為可飽和吸收體用于被動光纖脈沖激光器的

4、性能，并利用黑磷的寬帶飽和吸收特性，實現(xiàn)了黑磷可飽和吸收體在2μm波段光纖激光器中的調Q和鎖模脈沖輸出。具體的研究成果總結如下：
　　1.實驗發(fā)現(xiàn)了單層二硫化鎢原子晶體的寬帶可飽和吸收性能。利用不同波段的飛秒激光應用于Z掃描測試系統(tǒng)，對比研究了單層二硫化鎢原子晶體和多層二硫化鎢納米片在400nm、800nm、1550nm以及2μm四個波段下的非線性吸收特性，發(fā)現(xiàn)單層二硫化鎢原子晶體比多層二硫化鎢納米片的可飽和吸收光譜范圍大得多；分

5、析認為，這是由于缺陷摻雜等因素引入的表面金屬態(tài)和材料固有的半導體態(tài)共同存在作用的結果。通過對比研究發(fā)現(xiàn)，金屬態(tài)對可飽和吸收波段的拓寬在單層及少層低維材料中比較明顯。對飽和吸收參數進行分析發(fā)現(xiàn)，低維二硫化鎢納米材料的飽和光強和損傷閾值較高，有助于獲得高峰值功率的超短脈沖。
　　2.實驗發(fā)現(xiàn)了低維黑磷納米材料在800nm、1550nm和2μm三個波段都具備可飽和吸收特性，獲得了相應的飽和光強、調制深度等參數。對飽和吸收參數進行分析發(fā)現(xiàn)

6、，在1550nm和2μm兩個波段，低維黑磷納米材料的飽和光強和反飽和光強比較接近，不利于獲得高峰值功率的脈沖，但是有助于形成諧波鎖模，獲得高重復頻率的脈沖輸出。
　　3.搭建了高精度Z掃描測試系統(tǒng)。首次實驗測得了單層二硫化鎢以及黑磷納米材料的三階非線性折射率。測得單層二硫化鎢以及黑磷納米材料的三階非線性折射率都在10～13m2/W量級，與石墨烯的非線性折射率比較接近，比一般體電介質高4～5個量級。
　　4.利用黑磷納米材料的

7、飽和吸收特性實現(xiàn)了2μm波段光纖激光器的調Q和鎖模脈沖輸出。采用沉積在拉錐光纖上的辦法制作飽和吸收體實現(xiàn)了中心波長為1898nm，3dB帶寬為3.9nm，脈寬為970fs的鎖模脈沖輸出，并得到了最高階數是37的諧波鎖模；采用光沉積的方法制作的飽和吸收體實現(xiàn)了中心波長為1912nm，3dB帶寬為0.8nm，脈寬為1.21μs的調Q脈沖輸出，重復頻率為240kHz～600kHz可調。實驗結果表明，基于黑磷低維納米材料的可飽和吸收體在脈沖激光