基于低维纳米材料主、被动调制的脉冲光纤激光器研究

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1、分类号:O43学校代码：10697密级:公开学号：201310104基于低维纳米材料主、被动调制的脉冲光纤激光器研究学科名称：光学作者：李雕指导老师：白晋涛教授孙志培教授西北大学学位评定委员会二〇一八年六月西北大学博士学位论文2PulsedFiberLaserActivelyandPassivelyModulatedwithLowDimensionalNanomaterialsAdissertationsubmittedtoNorthwestUniversityinpartialfulfillment

2、oftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyinOpticsByDiaoLiSupervisor:ProfessorJintaoBaiProfessorZhipeiSunJune2018西北大学博士学位论文4西北大学学位论文知识产权声明书本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，

3、可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》或其它相关数据库。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名：指导教师签名：--------------------------------------------------------------西北大学学位论文独创性声明本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已

4、经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：I西北大学博士学位论文II摘要摘要具有高峰值功率、高脉冲能量、高重复频率和宽光谱线宽的脉冲激光是光通信、传感、材料加工、医疗等领域不可或缺的重要光源；光纤激光器由于结构紧凑、散热性好、光束质量高、兼容性好等优点，被认为是一种最有前途的脉冲激光载体。然而，目前用于脉冲激光产生的光调制材料响应带宽有限，制作和封装技术复杂且

5、与光纤激光器兼容性较差，阻碍了脉冲激光技术的发展。因此，探索新材料和新技术，研究具有功能更全面、制备更简单和成本更低的新型光调制器件成为脉冲激光技术的一个重要发展方向。本论文中，我们以具有可饱和吸收特性的黑磷、碳纳米管和具有电光调制特性的石墨烯为研究对象，通过实验制备黑磷、碳纳米管可饱和吸收体和石墨烯电光调制器，分别研究它们的光学响应和光调制特性，再将它们用于光纤激光器中通过主、被动调Q、锁模技术实现可调谐脉冲激光输出。通过建立锁模激光的理论模型，研究腔内脉冲在时域和频域演化的动力学过程。主要的研究内

6、容如下：（1）黑磷和碳纳米管可饱和吸收体的制备和表征分别采用机械剥离法和液相剥离法制备黑磷可饱和吸收体，机械剥离的黑磷可以直接转移到光纤端面制成全光纤型可饱和吸收体；液相剥离的黑磷通过与聚碳酸酯聚合物进行功能化改性，获得在空气中稳定性较强的黑磷聚合物复合材料；通过对机械剥离的黑磷进行光学表征，发现其具有很强的线性和非线性各向异性吸收。采用管径~1.3nm的单壁碳纳米管作为原材料，通过超声离心技术将其分散制成悬浊液，再使用羧甲基纤维素钠聚合物对碳纳米管进行改性，制成宽带的碳纳米管聚合物复合材料，特殊的管

7、径分布使其在1.5μm的通信波段具有强的吸收峰。（2）黑磷被动调Q、锁模脉冲激光特性研究首先，将机械剥离的黑磷和液相剥离并功能化的的黑磷聚合物复合材料可饱和吸收体作为调Q器件，在掺铒光纤激光器中获得了两种高能量脉冲输出，并分析讨论了脉冲的形成机理。然后通过对机械剥离的黑磷调Q光纤激光器进行优化，获得了被动锁模超短脉冲输出，通过建立脉冲在激光器中的传输模型，采用分步傅里叶法求解描述脉冲演化过程的非耦合Ginzburg-Landau方程，从理论上解释了基于黑磷被动锁模的脉冲产生过程和机理。I西北大学博士学

8、位论文（3）碳纳米管可调谐锁模脉冲激光特性研究单壁碳纳米管可饱和吸收体具有宽的光学响应带宽，通过与掺铒光纤激光器集成，再引入光谱滤波机制，可以实现中心波长、光谱带宽和脉冲宽度都可调谐的超短脉冲输出。通过建立激光谐振腔内的脉冲演化模型，从理论上研究了锁模脉冲激光器的腔内滤波效应对激光光谱、输出脉冲形状的影响，理论与实验相结合，相互验证。（4）石墨烯电光调制器的设计和电光特性研究从材料的能带结构出发，理论分析了石墨烯电光调制的原理，通过总结现有石墨烯光调制器