2微米波段石墨烯被动调Q掺铥双包层光纤激光器的研究

对人眼安全的2微米掺铥（Tm）光纤调Q脉冲激光器在遥感、激光雷达、医疗、材料加工等领域具有重要应用。本项目以发展高性能2微米被动调Q脉冲光纤激光为动机，探索石墨烯在2 微米波段的可饱和吸收特性，研究实现新型的石墨烯调Q掺Tm光纤脉冲激光器。主要研究内容包括，一，研究石墨烯损耗机理及其高功率运转条件下的调Q性能；提出利用等离子体溅射沉积技术制备石墨烯可饱和吸收体的新途径，以研制调制深度大、插入损耗低、损伤阈值高、可与双包层光纤兼容的石墨烯调Q 器；二，开展石墨烯调Q掺铥双包层光纤脉冲激光器的理论分析和实验研究，以期大幅度改进被动调Q掺铥双包层光纤激光器的单脉冲能量、平均输出功率和脉冲重复率等性能。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，还将提升我国在石墨烯调Q脉冲激光器领域拥有自主知识产权的国际地位。

本项目以发展低成本、小型化且高性能2 μm脉冲激光源为目的，提出开拓新型光电材料—石墨烯在2 μm波段可饱和吸收的巨大潜质，研制实现高性能石墨烯被动调Q 掺Tm双包层光纤激光器。在项目组成员的共同努力下，经过4年的研究，深入开展了项目拟定的研究内容，达到了项目的预期目标，主要体现在以下几个方面：.I） 成功研制了适用于2 μm波段的石墨烯被动调Q器，以及其它类石墨烯材料（拓扑绝缘体、过渡金属硫化物等）的2 μm波段调Q器。本项目采用化学气相沉积法（CVD）和化学液相剥离法（LPE）制备石墨烯和其它类石墨烯二维材料，比较研究了两种方法制备的2 μm被动调Q器的性能；同时为了让这些2 μm被动调Q器与光纤兼容，分别提出了光纤端面光诱导沉积法、石墨烯－聚合物成膜法以及熔锥光纤倏逝场侧面沉积法。..II） 利用已研制的石墨烯/类石墨烯被动调Q器，系统地研究并实现了2 μm调Q掺Tm双包层光纤脉冲激光器。主要包括：1）分别利用LPE法和CVD法制备的石墨烯作为2 μm波段被动调Q器，在掺Tm双包层光纤激光器中直接产生了高达～7 μJ脉冲能量、～300 mW平均功率的2 μm调Q激光脉冲；进一步放大后，获得了平均功率达3 W、脉冲能量～60 μJ的亚微秒脉冲。2）拓展研究了类石墨烯材料——拓扑绝缘体Bi2Se3和二维过渡金属硫化物MoS2在2 μm波段可饱和吸收的潜力，在国际上分别率先研究报道了被动调Q掺Tm双包层光纤激光器。..III） 充分挖掘石墨烯/类石墨烯二维材料的宽带可饱和吸收能力，执行了这些二维材料用于被动调Q/锁模其它波段的实验研究，这是本项目的延伸拓展。重点包括：1）国际上首次报道了类石墨烯材料——过渡金属硫化物（MoS2、WS2、MoSe2）被动调Q可见光（～0.63 μm）掺Pr光纤激光器。2）利用石墨烯饱和吸收体分别实现了1 μm和1.5 μm多波长耗散孤子锁模及传统孤子锁模激光器；3）利用Bi2Se3或MoS2 均实现了1 μm和1.5 μm被动调Q光纤激光器。..IV） 本项目发表研究论文23篇，其中SCI收录20篇、EI收录3篇；特别是其中4篇论文入选‘ESI高被引论文’、1篇论文为SCI期刊特邀论文、1篇论文被剑桥大学研究组'Highlighted'，申请国家发明专利2项（授权1项），培养青年学术带头人1人、博士生4名、硕士生3名。