金聚合物薄膜可饱和吸收体的制备及其在光纤激光器中的应用研究

Recently, noble metal saturable absorbers are in the early developing stage and the theoretical and experimental study of them should be further carried out. Directed by the investigation of infrared pulsed fiber laser based on noble metal saturable absorbers, gold nanostructured polymer films are considered as the key material systems. To meet the challenge of the fabrication of pulsed fiber laser with low pump threshold, short pulse width, and high repetition rate, the precisely controlled growth of the gold nanostructured films is accomplished firstly by tailoring the chemical compositions, structures, shapes, sizes, arrangements, and doping amounts of gold nanoparticles and the thicknesses of various polymer films. Subsequently, the potential of adjusting the output pulse laser is investigated for gold polymer films. The research work will come to disclose the correlation between the structures and nonlinear optical properties of gold nanostructured films and clarify the generation and action mechanism of their saturable absorption properties, which makes them promising for building novel pulse fiber laser with tunable multi-wavelengths. Current work is an important extension of our previous research, and could present some basic data and key techniques for the exploration of other new optoelectronic devices based on noble metal nonlinear optical materials.

目前，贵金属型可饱和吸收体还处在初期发展阶段，其深入的理论和实验研究还有待于进一步开展。本项目拟以基于贵金属型可饱和吸收体的红外脉冲光纤激光器研发为导向，优化选择金纳米聚合物薄膜为材料体系，通过制备工艺的设计与调控，实现对金纳米颗粒的化学组成、结构、形貌、尺寸、排布、在薄膜中的掺杂量、薄膜类型及薄膜厚度等的精细控制，进而探索金纳米聚合物薄膜作为可饱和吸收体被置于光纤腔中调节输出脉冲激光的潜力，最终实现具有低泵浦阈值、窄脉冲宽度和高重复频率的脉冲光纤激光器。研究工作将深入揭示金纳米薄膜的结构与非线性光学特性间的关联，阐明其可饱和吸收特性的产生与作用机理，有望通过金纳米颗粒和薄膜可饱和吸收体的精细设计与优化，获得性能优异的新型多波长可调谐脉冲光纤激光器。相关工作是在前期研究积累基础上的延伸和重要拓展，项目的实施将为设计基于贵金属非线性光学材料的其它新型光电子器件提供理论依据和关键技术。

由于自身的局限，商用的可饱和吸收体（半导体可饱和吸收镜）己经越来越难以满足发展的需求，亟需开发新型可饱和吸收体器件。而贵金属型可饱和吸收体还处在初期发展阶段，其深入的理论和实验研究还有待于进一步开展。本项目以红外脉冲光纤激光器研发为导向，依据贵金属纳米材料的可饱和吸收特性和局域表面等离子体共振(LSPR)效应，开展贵金属纳米薄膜的设计制备、光学特性检测和脉冲光纤激光器的制作研究。通过对金银纳米颗粒和聚合物薄膜的结构参数进行系统地调节，优化这种可饱和吸收体的三阶非线性光学特性并改变其作用的波长范围，结合激光脉冲形成机理，深入探讨了基于金银纳米粒子非线性光学特性的脉冲激光形成物理机制。.在理论研究方面，根据MIE散射理论，应用FDTD和FEM方法对多种金银纳米结构的光学特性进行研究，并采用纳米天线理论和等离子体杂化理论分析入射光和贵金属纳米颗粒之间的相互作用机理。提出了一种高效的增益辅助U型金纳米结构。通过数值模拟，我们研究了在超过激光阈值时其强大的LSPR放大性能以及波长可调谐性。其光学特性研究对于应用具有特殊结构的金银纳米材料实现调节连续激光形成锁模或调Q脉冲激光输出具有指导意义。.在实验研究方面，制备了多种形貌和结构的贵金属纳米粒子，如金纳米棒、银纳米枝状体、银纳米立方体/二氧化硅二层核壳纳米颗粒、银/二氧化硅/银三层核壳纳米颗粒和金/银/聚合物/银四层核壳纳米颗粒等。采用原位掺杂的方法将上述纳米材料成功掺入聚合物薄膜中并采用微波加热技术将纳米颗粒可控地整齐排列于薄膜中。采用理论与实验相结合的方法系统地研究了上述贵金属纳米材料的表面等离激元共振吸收峰随其结构的变化情况，探讨了将这些纳米材料应用于光纤激光器中实现脉冲激光输出的可能性。特别是我们将银纳米立方体/二氧化硅二层核壳纳米颗粒掺入R6G/PMMA聚合物薄膜，实现了自发辐射放大阈值的降低。当二氧化硅壳层厚度仅为3纳米时，阈值降低比例高达75%。上述研究结果所获得的多种具有良好非线性光学特性的金银纳米结构不仅在光纤激光器领域，而且在荧光增强和免疫检测方面均具有良好的应用前景。