基于2D-1D异质结的高能量超短脉冲光纤激光器研究

Recently, van der Waals heterostructure was reported by stacking different two-dimensional (2D) crystals on top of each other, which opens new avenues for ideal materials. It has provided excited ideas for the investigation in physics, optoelectronics and material science. On the basis of our achievement in nanomaterial-based saturable absorber (SA) and ultrafast fiber laser, the project will employ single-walled carbon nanotube and 2D materials to fabricate 2D-1D heterostructure. It is utilized to manufacture the SA with broad operation wavelength, high damage threshold and specified parameter, and achieve the environment robust, high-energy ultrafast fiber laser. The all-face technique will be improved to accurately control the saturable absorption properties of SA. The nonlinear optical response of 2D-1D heterostructure will be studied and the mathematical equations of SA will be amended based on the results. Finally, we will seek the matching parameter between mode-locked fiber laser and SA and implement the high-energy dissipative soliton fiber laser. This project is expected to deepen the knowledge of van der Waals heterostructure, accelerate the development of the next-generation SA and further perfect the theoretical model of mode-locked fiber laser. The environment robust, high-energy ultrafast fiber laser would found potential applications in industrial process, medical treatment, and military.

近年来，研究人员将纳米材料通过范德华力堆叠在一起形成异质结构，提出了一种类似搭建乐高积木的方式来构建理想材料的途径，为材料科学、物理学、光电子学等领域的研究提供了新思路。本项目基于我们在纳米材料锁模器件和超快光纤激光器方面的研究工作，提出利用单壁碳纳米管和二维材料构建2D-1D异质结，制备具有宽带工作波长范围、高损伤阈值、参数可控的锁模器件，实现环境稳定的高能量超短脉冲光纤激光器。优化全表面包覆技术制备工艺，精确控制锁模器件的可饱和吸收参数；探索2D-1D异质结材料的超快非线性光学特性，建立和完善锁模器件的数理方程；理论和实验研究激光器与锁模器件的参数匹配，搭建高能量耗散孤子光纤激光器。本研究将加深人们对二维材料异质结的认识，促进新一代可饱和吸收器件的研制，进一步完善锁模光纤激光器的理论模型，获得的高能量超短脉冲光纤激光器在工业、医疗、军事等领域具有广泛的应用前景。

超快激光具有短时间尺度、宽光谱范围、高峰值功率等特点，已被广泛应用于医疗美容、生物成像、高精度加工等领域，是激光技术研究的前沿领域。被动锁模技术是产生超快激光的常用手段，自单壁碳纳米管和石墨烯的饱和吸收特性被应用于产生超快激光以来，纳米材料的非线性吸收特性被广泛研究和应用，以实现新型高性能锁模器件。本项目提出通过构建异质结调控载流子实现对饱和吸收特性的调节；研究和完善锁模器件的理论模型，探究锁模器件中热效应的影响，提高锁模器件的损伤阈值和稳定性；设计和搭建超快光纤激光器，研究锁模器件对输出脉冲特性的影响，探索纳米材料锁模光纤激光器的实用化；研究超快光纤激光的放大技术，提升脉冲能量和峰值功率；建立超快激光实时测量平台，研究超快激光在饱和吸收作用下的形成过程，观测超短脉冲激光的演化规律，探索非线性光纤光孤子的新理论。. 本项目中，搭建了二维异质结材料的制备平台，制备并研究了异质结材料，其具有78 fs的超快弛豫时间和高非线性系数，对纳米材料锁模器件的制备具有指导意义；建立了长程微纳光纤拉制装置，获得了直径小于1μm的锥形光纤，利用光声机械共振效应实现了2.38 GHz的高重频超快激光；开展了实用化超快光纤激光器的研制，实现了光谱宽度大于18 nm的高光谱平坦度耗散孤子激光；提出了一种全光纤亚百飞秒超短脉冲产生装置，通过将耗散孤子激光源进行同步的放大和非线性压缩，直接获得了亚百飞秒的激光输出；提出并设计了一种全光纤结构的再生放大装置，能够有效替代了传统高功率光纤激光放大中多级放大和降频的结构，降低了高能量超快激光的成本；建立了超快激光光谱实时测量系统，可以实现每秒数百万次的测量速度，观测到了孤子、孤子分子、谐波锁模等状态的建立过程，并结合偏振分辨技术发现了交叉相位调制引起的非对称矢量孤子演化过程。本项目研究结果将加深人们对纳米材料锁模器件、超快光纤激光、非线性光纤光学等领域的认识，有助于超快激光的研究和应用。