二维纳米材料可饱和吸收体锁模光纤激光技术研究

Different material processing needs different pulsed lasers. When cutting the glass screen of portable equipment, such as mobile phone, needs high energy, narrow bandwidth pulsed laser. Passively mode-locked fiber laser based on saturable absorber, which is stable, easy making, compact, is worthy to research. However, the saturable absorber is easily damaged and has high loss, which makes it difficult to obtain high energy, narrow bandwidth output laser pulses. So searching new materials for saturable absorber with high damage threshold and fast recovery time, optimizing the laser cavity parameters is important. This provides the condition to generate high energy output pulses, reduce the amplification system.. Because of the fast recovery time and relatively high damage threshould of the two-dimensional metal sulfide materials, we would try to use this kind of nanomaterial to make saturable absorbers for pulsed fiber lasers. Then optimizing the laser system, we could obtain fiber lasers with high output energy and narrow bandwidth from the oscillation system without further amplification system.

特殊行业加工对脉冲激光器的输出特性有不同需求，例如移动设备显示屏用的强化玻璃、蓝宝石屏等坚硬耐磨材料，加工切割时为保证质量，需要几百飞秒-1皮秒的高能量脉冲激光。被动可饱和吸收锁模光纤激光器提供了光源。被动可饱和吸收锁模光纤激光器只需将可饱和吸收体放入谐振腔，结构简单、性能稳定、易于小型化，具有很好实用价值；但缺点是目前使用的可饱和吸收体损伤阈值低、损耗大，不易直接获得高脉冲能量激光，需要多级放大。因此寻找损伤阈值高、响应速度快的可饱和吸收体，在振荡级的光纤激光器中直接获得大脉冲能量输出，减少放大环节，具有重要的研究意义。. 由于二维过渡金属硫化物具有较快的弛豫时间、较高的损伤阈值，因此本课题拟探寻此类新型二维纳米材料及研制不同结构的可饱和吸收元件，获得高损伤阈值和适当调制深度的可饱和吸收体；在没有放大级的情况下，实现在振荡级直接输出高能量、窄脉宽激光，用于特殊激光加工领域。

特殊行业加工对脉冲激光器特性有不同需求，例如移动设备显示屏所用的强化玻璃、蓝宝石屏等坚硬耐磨材料，加工切割时需要窄脉冲、高能量脉冲激光。被动可饱和吸收锁模光纤激光器提供了光源。此类锁模光纤激光器只需将可饱和吸收体放入谐振腔，结构简单、性能稳定、易于小型化，具有很好实用价值；但缺点是目前使用的可饱和吸收体损伤阈值低、损耗大，不易直接获得高脉冲能量激光，需要多级放大。因此寻找损伤阈值高、响应速度快的可饱和吸收体，在振荡级的光纤激光器中获得大脉冲能量输出，具有重要的研究意义。. 二维过渡金属硫化物具有较快的弛豫时间、较高的损伤阈值，因此本课题拟探寻此类新型二维纳米材料及研制不同结构的可饱和吸收元件，获得高损伤阈值和适当调制深度的可饱和吸收体；设计脉冲光纤激光器，实现输出高能量、窄脉宽的脉冲激光，用于特殊激光加工领域。. 研究内容主要分4个方面：（1）理论分析了基于二维纳米材料可饱和吸收体的锁模光纤激光器脉冲产生及稳定输出特性，并进行了数值模拟，为锁模光纤激光器的设计及实验提供理论依据。（2）实验中基于制备的不同类型的二维纳米过渡金属材料（Bi2Se3、WS2、MoS2、C3N4）可饱和吸收体，研制了1μm、1.5μm波长的锁模光纤激光器，获得了脉冲输出，脉冲能量大于100nJ；并在实验上获得了不同类型的锁模脉冲输出。（3）分析了脉冲分裂的原因，优化不分裂脉冲的方法，获得高功率、大能量锁模激光输出，输出能量205nJ。（4）基于锁模光纤激光器种子源进行了放大及压缩实验，获得了类噪声脉冲输出，其中峰值最窄脉宽小于100fs。. 重要结果、关键数据及其科学意义：研制了振荡级直接输出的1.5m、1m波段的脉冲光纤激光器，为不同的实际应用提供可靠脉冲光源；获得了脉冲能量大于100nJ（获得205nJ），为进一步放大提供大能量种子源；脉宽100fs（获得14.5fs）以下，给出了类噪声锁模脉冲的最窄脉宽，为超快激光的应用提供光源；获得了不同的重频的脉冲输出，为谐振腔的腔长改变提供锁模依据。