碳纳米管的非线性光学性质及其在飞秒激光器中的应用

碳纳米管有独特的化学、机械、电子学和光学特性。尤其是其非线性光学特性，对于锁模激光器和被动光纤通信器件具有非常重要的意义。本研究旨在通过对各种技术制备的碳纳米管薄膜进行结构特性表征和非线性光学特性测量，研究其非线性光学性质与其结构特征的关系，并利用其进行锁模激光实验。本项目研究内容包括膜系制备、结构特征测量、线性和非线性光学特性测量和激光器应用等。采用浮动催化剂的化学气相沉积方法在光纤或反射镜表面直接制备和沉积碳纳米管薄膜，以及用离子液体或表面活性剂辅助的水体系对体相碳纳米管样品进行分散和成膜两种技术，重点解决碳纳米管直径和成膜厚度控制问题；用原子力显微镜和电子显微镜观测其结构特征；用泵浦－探测法和Z-scan法测量其非线性吸收和克尔效应；将碳纳米管制成可饱和吸收器，应用于固体和光纤激光器的锁模，重点是高重复频率和长波长锁模器件。本项目完成将推动我国碳纳米管非线性光学器件的发展和应用。

采用不同方法实现了碳纳米管锁模器件的制备, 包括浮动催化剂化学气相沉积法在硅、石英等基底上生长出了均匀的单壁碳纳米管薄膜、碳纳米管-高分子复合体系制作碳纳米管薄膜、用光梯度力吸附法将碳纳米管吸附在光纤端面上，以及锥形光纤涂覆法。研究了单壁碳纳米管的非线性特性，包括单壁碳纳米管的拉曼光谱确定饱和吸收谱、Z扫描法测量三阶非线性折射系数，不同形式的碳纳米管器件的可饱和吸收特性包括饱和吸收通量和饱和恢复时间。研究了碳纳米管的锁模特性，实现了碳纳米管反射镜作为可饱和吸收体的30.2MHz激光器锁模，拉锥光纤法的碳纳米管线性腔96MHz掺铒光纤激光器锁模和环型腔63MHz掺铒光纤激光器锁模，碳纳米管薄膜235MHz环型腔掺铒光纤激光器锁模以及线性腔的调Q锁模实验。同时在提高光纤激光器的重复频率作为频率梳的光源方面做出了领先的工作。碳纳米管可饱和吸收体将在这些超高重复频率光纤激光器的锁模中发挥至关重要的作用