石墨烯锁模光纤激光器关键技术研究

2010年诺贝尔物理学奖授予在新型"奇妙材料"石墨烯研究中作出开拓性贡献的两位俄裔英国科学家，标志着石墨烯独特的物理、化学特性得到了国际社会的广泛认可，石墨烯的研究与应用将进入一个新的阶段。石墨烯在光电子学上的主要应用之一是作为超快激光器的被动可饱和吸收体。申请者在国内较早进行了石墨烯锁模光纤激光器的研究并获得一系列国际领先成果。本申请将在继续对石墨烯饱和吸收体的光学、非线性光学性质进行全面深入研究的基础上，重点进行2.0微米波段石墨烯锁模激光器件的研究，力争在国际上首次实现石墨烯锁模2.0微米超短脉冲光纤激光器。同时，改进1.0微米波段、1.5微米波段石墨烯锁模光纤激光器的激光腔设计及相关关键技术，向更短输出脉冲（皮秒到飞秒），更高单脉冲能量（纳焦到微焦），更高重复频率（数百兆赫）、更高输出功率（百瓦级）等目标发展，使我国在此领域的研究保持国际研究水平前沿。

本项目主要研究了石墨烯、氧化石墨烯可饱和吸收体的光学特性，以及基于石墨烯、氧化石墨烯可饱和吸收体的被动锁模、被动调Q光纤激光器的输出特性。在Optics Letters、Optics Express等国际知名光学期刊上共发表学术论文23篇，目前论文已被SCI他引300余次，单篇最高SCI他引78次。所取得的主要成果可概括为以下几方面：.1. 在国际上研制出了1.0 μm波段石墨烯调Q纳秒脉冲掺镱光纤激光器，结合纤芯泵浦高掺杂光纤技术，得到了70 ns被动调Q激光脉冲输出，该结果为目前石墨烯调Q激光器所产生的最窄脉冲宽度。.2. 利用氧化石墨烯作为可饱和吸收体，在1.0 μm波段锁模掺镱光纤激光器中观察到了耗散孤子共振现象，得到了脉冲宽度可从0.52 ns 到60.8 ns之间可调的方波脉冲输出。通过理论模拟，得出反转可饱和吸收为耗散孤子脉冲、平顶脉冲的形成起了决定性作用。.3. 在国际上研制出了1.5 μm波段氧化石墨烯被动锁模掺饵光纤激光器和2.0 μm波段锁模掺铥光纤激光器， 在1.5 μm波段得到了最窄脉冲宽度为200 fs的激光脉冲输出。实验表明氧化石墨烯材料作为可饱和吸收体具有制备简单、成本低廉、光谱响应范围宽等优点，有望成为一种新型、低成本锁模器件。.4. 在国际上研制出了2.0 μm波段百瓦级皮秒脉冲掺铥光纤放大器，最高平均输出功率为120.4 W。此外，设计并搭建了全保偏结构皮秒脉冲掺铥光纤放大系统，得到了平均功率为203 W的线偏振皮秒脉冲激光输出。该结果为目前国际上2.0 µm波段超短脉冲激光器所产生的最高平均输出功率。