可见光波段石墨烯调Q/锁模掺镨下转换光纤激光器研究

Visible pulsed fiber lasers have various important applications, such as biomedical science, optical sensors, fine processing and spectroscopy. To develop high-performance visible Q-switched/mode-locked pulsed fiber lasers, the mechanism of down-conversion without laser frequency doubling is used, and the saturable absorption characteristics of graphene at visible region are explored; new type of Q-switched/mode-locked Pr-doped plused fiber lasers will be realized. The research contents mainly include:1) To investigate the characteristics of graphene as a saturable absorber at visible region and the performance of Q-switched and mode-locked fiber lasers with high output power. In order to fabricate the graphene with large modulation depth, low insertion loss, low damage threshold and ease of all-fiber-configuration, we propose both the chemical and physical approaches to obtain the graphene Q-switches/mode-lockers. 2) To carry out theoretical analysis, numerical modelling, optimal designing and experimental investigation in order to improve the pulse energy and the average output power of red / green / blue passively Q-switched/mode-locked Pr-doped ZBLAN fiber (PDF) lasers with graphene. The research of this project will help us to simultaneously learn the opto-electronic properties and the applications of graphene, and promote the applications of all-fiber-configuration PDF lasers.

可见光波段光纤脉冲激光器在生物医学、光学传感、精细加工、光谱学等领域具有重要应用。本项目以发展高性能红、绿、蓝光调Q/锁模脉冲光纤激光为动机，探索石墨烯在可见光波段的可饱和吸收特性，采用无需倍频的直接下转换方式，研究实现新型的石墨烯可见光调Q/锁模掺镨光纤脉冲激光器。主要的研究内容包括：一，研究石墨烯在可见光波段的可饱和吸收特征及其高功率运转条件下的调Q/锁模性能；提出利用两种制备光纤兼容石墨烯可饱和吸收器件的途径，以研制调制深度大、插入损耗低、损伤阈值高的可见光石墨烯调Q/锁模器；二，开展红、绿、蓝石墨烯被动调Q/锁模Pr:ZBLAN光纤脉冲激光器的理论分析、数值模拟、优化设计和实验研究，以期大幅度改进被动调Q/锁模Pr:ZBLAN光纤激光器的脉冲性能。本项目的研究不仅将深化对石墨烯光电性质及其应用的认识，还将有力促进可见光波段掺镨光纤脉冲激光器的开发应用。

脉冲光纤激光器可广泛应用于工业、医疗和科研等领域，锁模和调Q为光纤激光器中实现脉冲操作的常见技术。虽然新型纳米材料的可饱和吸收特性可延伸到可见光领域，但却未有可见光波段纳米材料被动调Q光纤激光器的报道。本论文从全光纤石墨烯被动调Q激光器的脉冲输出性能和纳米材料在可见光光纤激光器中的应用入手，系统研究了基于石墨烯和各种纳米材料的可见光被动调Q光纤激光器，取得了如下研究成果：.针对稀土掺杂氟化物玻璃光纤的易脆共知难题，我们通过大量的实验，掌握了该光纤的固化和激光级抛光工艺，结合实验室开发的可见光波段高品质的光纤端面等离子体溅射镀膜技术，成功地镀制高质量的光纤腔镜，为本课题的全光纤可见激光实验奠定基础。采用光纤端面镀膜的可见光光纤型反射镜，构建紧凑的可见光光纤激光器。分别利用红光、橙光和绿光光纤型输入输出镜，实现了全光纤腔体的635.9 nm红光、603.5 nm橙光和716 nm深红光激光器。通过优化红光光纤激光器的耦合输出比，将激光器的斜效率提升到了59.4%。.首次实现了纳米材料在红光光纤激光器中的被动调Q操作。如，首次实现了硫化钨在红光光纤激光器中的被动调Q操作，其脉冲重复频率可调范围从232.7 kHz到512.8 kHz，最窄脉宽为207 ns；首次研究了基于硒化铋的被动调Q红光光纤激光器，其脉冲重复频率可调范围从191.6 kHz到454.5 kHz，最窄脉宽为244 ns；首次实现了黑磷被动调Q红光光纤激光器，其脉冲重复频率可从108.8 kHz连续调谐到409.8 kHz，可调范围达到300 kHz，最窄脉宽为383 ns；首次将纳米金应用于红光光纤激光器中获得被动调Q脉冲，其脉冲重复频率可调范围从285.7 kHz到546.4 kHz，最窄脉宽为235 ns。实验结果表明，纳米材料SAs可作为有效的红光调Q器，且过渡金属硫化物在我们实验过程中调Q性能最佳。在橙光和深红光波段，也实现了类似的调Q运转实验。