低維納米材料的非線性光學(xué)特性及其在被動(dòng)光纖脈沖激光器中的應(yīng)用研究.pdf

1、石墨烯優(yōu)良的非線性特性在激光器領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用極大激發(fā)了人們對(duì)低維納米材料優(yōu)良光電性能探索的同時(shí)，其零帶隙特性帶來的低開關(guān)比以及不能和硅兼容等缺點(diǎn)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(bǔ)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(yīng)用于可見光至近紅外波段。而且，隨著層數(shù)的減少，其能帶的躍遷方式逐漸由間接

2、躍遷轉(zhuǎn)為直接躍遷，相應(yīng)的吸收和發(fā)射譜也有很大差異。相應(yīng)的非線性測(cè)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(jié)構(gòu)隨層數(shù)變化的層狀材料，其能帶間隙恰好覆蓋了中紅外波段，填補(bǔ)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(xué)性質(zhì)和在室溫下可達(dá)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(duì)兩類典型的新型低維材料在多個(gè)波段的非線性光學(xué)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)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(diǎn)的寬波段飽和吸收特性進(jìn)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(shù)，發(fā)現(xiàn)了低維納米材料對(duì)各個(gè)波段的非線性吸收規(guī)律，剖析了低維納米材料在每個(gè)波段下的非線性吸收過程以及主導(dǎo)的非線性吸收機(jī)制，測(cè)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(jù)測(cè)量得到的非線性光學(xué)參數(shù)，討論了低維納米材料作為可飽和吸收體用于被動(dòng)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(shí)現(xiàn)了黑磷可飽和吸收體在2μm波段光纖激光器中的調(diào)Q和鎖模脈沖輸出。具體的研究成果總結(jié)如下：
　　1.實(shí)驗(yàn)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(yīng)用于Z掃描測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)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(gè)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(rèn)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(dǎo)體態(tài)共同存在作用的結(jié)果。通過對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，金屬態(tài)對(duì)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(duì)飽和吸收參數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，低維二硫化鎢納米材料的飽和光強(qiáng)和損傷閾值較高，有助于獲得高峰值功率的超短脈沖。
　　2.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了低維黑磷納米材料在800nm、1550nm和2μm三個(gè)波段都具備可飽和吸收特性，獲得了相應(yīng)的飽和光強(qiáng)、調(diào)制深度等參數(shù)。對(duì)飽和吸收參數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)

6、，在1550nm和2μm兩個(gè)波段，低維黑磷納米材料的飽和光強(qiáng)和反飽和光強(qiáng)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(fù)頻率的脈沖輸出。
　　3.搭建了高精度Z掃描測(cè)試系統(tǒng)。首次實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)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(jí)，與石墨烯的非線性折射率比較接近，比一般體電介質(zhì)高4～5個(gè)量級(jí)。
　　4.利用黑磷納米材料的

7、飽和吸收特性實(shí)現(xiàn)了2μm波段光纖激光器的調(diào)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(shí)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(shù)是37的諧波鎖模；采用光沉積的方法制作的飽和吸收體實(shí)現(xiàn)了中心波長為1912nm，3dB帶寬為0.8nm，脈寬為1.21μs的調(diào)Q脈沖輸出，重復(fù)頻率為240kHz～600kHz可調(diào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)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