拓扑绝缘体及其他二维材料的可饱和吸收特性研究

拓扑绝缘体及其他二维材料的可饱和吸收特性研究

短脉冲和超短脉冲激光器因为其优异的时域和频域特性,在工业加工、光通信、医疗、科研中有着非常广泛的应用。可饱和吸收体是实现脉冲激光的关键器件之一。但是传统的半导体可饱和吸收镜(SESAM)由于制备工艺复杂、吸收带宽较窄、成本较高在一定程度上限制了它的应用。最近几年,各种新型二维可饱和吸收体材料,如石墨烯、拓扑绝缘体、过渡金属硫化物等因为具有制备成本低和调制波段宽等优势引起了人们的极大关注。

本论文主要研究了拓扑绝缘体、石墨烯和其异质结等二维材料的可饱和吸收特性,通过搭建Z扫描、I扫描和泵浦探测系统测量了它们的饱和强度、调制深度、弛豫时间等参数,制备了拓扑绝缘体、石墨烯及其异质结可饱和吸收体器件,并且将它们应用于全固态脉冲激光器中。本论文主要研究内容如下:第一章介绍了可饱和吸收体的发展、特别是二维材料可饱和吸收体,如石墨烯、拓扑绝缘体的发展现状,对二维材料的饱和吸收特性进行了归纳总结。同时介绍了二维可饱和吸收体在短脉冲和超短脉冲激光器中的应用。第二章介绍了二维可饱和吸收体的表征方法。

主要是三阶非线性和超快动力学的表征。三阶非线性表征主要是通过Z-scan系统和I-scan系统的搭建完成的。超快动力学表征主要是通过简并和非简并泵浦探测系统来完成的。第三章,首次利用旋涂还原法(SCCA)制备了大面积均匀且厚度和覆盖率可调的Bi2Te3可饱和吸收体。

测量了不同厚度Bi2Te3的饱和吸收体特性,发现随着样品厚度的增加,饱和强度变低,调制深度增大,并分析了变化机理。接着,将制备的Bi2Te3应用于全固态调Q激光器中,实现了输出参数可调节的高稳定性调Q脉冲输出。通过调制不稳定性(MI)和速率方程模拟了具有超低饱和强度Bi2Te3的过饱和行为,理论和实验相符。最后,将拓扑可饱和体应用在3.0 μm中红外调Q激光器中,首次实现了基于拓扑绝缘体的全固态3.0 μm中红外激光器运转。

第四章,利用Bi2Te3的低饱和强度特性,结合较短的谐振腔和饱和吸收体上较大的模体积,首次实现了基于拓扑材料的全固态高重频锁模激光运转,平均输出功率181 mW,脉冲宽度8 ps,重复频率948 MHz。利用MBE方法生长的拓扑绝缘体(Bi0.2Sb0.8)2Te3,利用耦合腔锁模(RPM)的方法,解决了MBE生长的拓扑材料吸收损耗大和损伤阈值较低的问题,实现了稳定的调Q锁模运转。第五章,通过改变反射镜膜系结构,调控反射镜上单层石墨烯电场强度,进而调控石墨烯可饱和吸收镜(GSAM)的饱和强度、调制深度和非饱和损耗。实验中制备了吸收分别为2.78%和9.2%的两种GSAM,并将它们应用于1.3 μm全固态锁模激光器中,分析了不同吸收GSAM对激光输出功率和脉冲宽度的影响。

此外,通过插层法制备了石墨烯/二硫化钼复合材料,并将其应用于Yb:CALGO激光器中,实现了92 fs脉冲宽度的飞秒激光输出,这是目前基于石墨烯/二硫化钼可饱和吸收体获得的最窄脉冲宽度。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/adee181d710abb68a98271fe910ef12d2bf9a99f.html