脈沖激光器和連續(xù)激光器相比,具有短脈寬、高峰值功率等優(yōu)勢(shì),廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)研究、通信、醫(yī)療以及工業(yè)精密加工等領(lǐng)域�；诳娠柡臀阵w的被動(dòng)調(diào)Q/鎖模技術(shù)是實(shí)現(xiàn)脈沖激光最有效的技術(shù)手段。長(zhǎng)久以來,如何改善可飽和吸收體的各項(xiàng)性能參數(shù)以滿足各種脈沖激光器應(yīng)用需求一直是科研界以及工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。值得關(guān)注的是,半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAMs)的研制成功是脈沖激光技術(shù)發(fā)展過程中的一項(xiàng)重大突破。受益于精確而成熟的半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)工藝以及針對(duì)器件本身逐漸形成的一套完整的非線性調(diào)控方案,到目前為止,SESAMs仍然是使用最廣泛和商業(yè)化程度最高的可飽和吸收器件。然而,受限于吸收層材料的選擇以及器件結(jié)構(gòu),SESAMs在脈沖激光應(yīng)用上仍然存在一些瓶頸,比如工作帶寬窄(～100 nm),工作波長(zhǎng)難以拓展到3μm以上,因此限制了其在寬帶可調(diào)諧以及中紅外脈沖激光器中的應(yīng)用。隨著對(duì)脈沖激光器需求的不斷提升,業(yè)界迫切需求一種穩(wěn)定、寬帶、參數(shù)靈活可控的可飽和吸收器件。本文以此為出發(fā)點(diǎn),首先研究了單壁碳納米管(SWNTs)的超寬帶可飽和吸收效應(yīng),從最基本的低維材料入手,發(fā)掘SWNTs在緊湊、高可靠性的超寬帶可調(diào)諧鎖模激光器中的應(yīng)用潛力。其次,本文作者系統(tǒng)研究三維狄拉克半金屬砷化鎘(Cd3As2)材料在近紅外波段的可飽和吸收效應(yīng)以及脈沖激光應(yīng)用,進(jìn)一步擴(kuò)展Cd3As2薄膜作為可飽和吸收體的適用范圍。最后,本文作者深入研究了基于三維狄拉克半金屬Cd3As2材料的可飽和吸收器件的參數(shù)調(diào)控特性,分別利用電誘導(dǎo)熱效應(yīng)以及元素?fù)诫s方法對(duì)其非線性參數(shù)進(jìn)行主動(dòng)和被動(dòng)調(diào)控,進(jìn)一步推動(dòng)了 Cd3As2可飽和吸收器件的實(shí)用化進(jìn)程。具體的研究?jī)?nèi)容如下:1、利用液相剝離方法制備了大面積、高質(zhì)量的單壁碳納米管可飽和吸收體,并通過泵浦-探測(cè)裝置和平衡探測(cè)系統(tǒng)對(duì)其超快動(dòng)力學(xué)過程及可飽和吸收特性進(jìn)行表征。結(jié)果表明,管徑分布在～1.3-1.6nm之間的碳納米管可飽和吸收體在1.6μm-2.1 μm范圍內(nèi)均具有明顯的可飽和吸收特性。進(jìn)一步,基于單壁碳納米管可飽和吸收體的寬帶非線性特性,通過搭建銩/鈥共摻光纖激光器以及設(shè)計(jì)高效率濾波系統(tǒng),獲得擁有200nm(1860nm-2060nm)波長(zhǎng)連續(xù)調(diào)諧能力的鎖模光纖激光器。2、本文作者首次研究Cd3As2薄膜在近紅外波段的寬帶光響應(yīng)以及脈沖激光應(yīng)用。首先,使用分子束外延技術(shù)(MBE)生長(zhǎng)出高質(zhì)量的Cd3As2薄膜,并使用非簡(jiǎn)并-泵浦探測(cè)裝置研究了其在近紅外波段下(1-2 μm)的超快光生載流子動(dòng)力學(xué)過程,給出Cd3As2薄膜在近紅外波段下的光生載流子弛豫時(shí)間在5 ps左右。其次,利用平衡探測(cè)系統(tǒng),具體表征出Cd3As2薄膜在1.96μm和1.56μm波長(zhǎng)下的可飽和吸收性能參數(shù),其調(diào)制深度分別為3.5%、5.1%,飽和強(qiáng)度分別為12 MW/cm2、67MW/cm2。最后,基于Cd3As2薄膜(300nm厚)構(gòu)建“三明治”式光纖集成可飽和吸收器件,利用該器件,本文作者分別在銩/鈥共摻、摻鉺以及摻鐿光纖激光器中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的1.96 μm、1.56 μm鎖模脈沖輸出以及1.06 μm調(diào)Q脈沖輸出,在實(shí)際應(yīng)用中表明Cd3As2可飽和吸收器件具有超寬帶工作響應(yīng)。3、利用分子束外延技術(shù)和電子束蒸發(fā)技術(shù)制備電接觸Cd3As2薄膜可飽和吸收器件。器件使用傳統(tǒng)的Ⅲ-Ⅴ族化合物砷化鎵作為襯底,具有很好的生長(zhǎng)工藝兼容性。在電流誘導(dǎo)的溫度變化下,可飽和吸收器件的調(diào)制深度可以實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)控。這種通過簡(jiǎn)單的平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)的主動(dòng)調(diào)控能力,能夠?yàn)樯钊胙芯挎i模動(dòng)力學(xué)過程提供更加廣闊的支撐平臺(tái)。隨后,研究了元素?fù)诫s對(duì)Cd3As2薄膜中超快動(dòng)力學(xué)過程的影響,通過對(duì)比鉻(Cr)和錳(Mn)摻雜,試圖厘清元素?fù)诫s對(duì)Cd3As2載流子弛豫過程影響的一般規(guī)律。Cr和Mn均能實(shí)現(xiàn)不同程度的弛豫時(shí)間調(diào)控,但Mn摻雜會(huì)引入一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的弛豫過程(T:～2.8 ns@ Mn:12%)。根據(jù)以往SESAM的調(diào)控經(jīng)驗(yàn),這部分弛豫過程與可飽和吸收器件的非線性參數(shù)直接相關(guān),對(duì)于調(diào)控超短脈沖輸出以及優(yōu)化鎖模自啟動(dòng)性能具有重要作用。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN248
【部分圖文】：

等領(lǐng)域［２６，邋２７］。逡逑調(diào)Ｑ技術(shù)是通過在諧振腔系統(tǒng)不同工作階段快速調(diào)整Ｑ值實(shí)現(xiàn)，因此也稱逡逑為損耗調(diào)制技術(shù)，其基本原理可以概括為：如圖１．１所示，在泵浦激勵(lì)初始（ｔ＜逡逑０），調(diào)整激光腔內(nèi)損耗位于較高水平，諧振腔具有高激光閾值，不能形成有效激逡逑射，在亞穩(wěn)態(tài)上逐漸積累高水平的粒子數(shù)；隨后，在某個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)（ｔ＝０），突然逡逑降低腔內(nèi)損耗系數(shù)，減小激光閾值，之前積累的粒子數(shù)密度會(huì)充分滿足激光閾值逡逑條件，受激輻射急劇發(fā)生，光子數(shù)密度會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)（ｔ＝ｔｐ）達(dá)到最高值，形成逡逑４逡逑

ＳＥＳＡＭ器件的最基本結(jié)構(gòu)組合，其中吸收層可以是體狀半導(dǎo)體或者量子阱、量逡逑子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄層［１６］。當(dāng)入射脈沖能量足夠強(qiáng)時(shí)，吸收層的吸收趨于飽和，逡逑表現(xiàn)為ＳＥＳＡＭ反射率增力卩。圖１．３ａ為典型的ＳＥＳＡＭ結(jié)構(gòu)，在３０對(duì)ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ逡逑構(gòu)成的ＤＢＲ上生長(zhǎng)一定厚度的吸收層材料。ＳＥＳＡＭ具有很多重要的參數(shù)，一般逡逑在其非線性特征曲線中獲得Ｐ９，邋４０］，如圖１．３ｂ所示。曲線中主要包括以下幾個(gè)逡逑參數(shù)：逡逑（１）

（Ａ－ＦＡＳＡ）；邋（ｂ）薄層防反結(jié)構(gòu)ＳＥＳＡＭ；邋（ｃ）低精細(xì)度Ａ－ＦＡＳＡ；邋（ｄ）色散補(bǔ)償ＳＥＳＡＭ逡逑１９９２年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Ｕ．邋Ｋｅｌｌｅｒ等人發(fā)明了第一個(gè)ＳＥＳＡＭ可飽和吸收器逡逑件［４６］，稱為反共振法布里－珀羅可飽和吸收體（Ａ－ＦＰＳＡ），如圖１．４ａ所示。由于逡逑Ｆ－Ｐ腔由頂部高反射率電介質(zhì)層與底部高反射率ＤＢＲ構(gòu)成，擁有較高的精細(xì)度，逡逑因此該結(jié)構(gòu)ＳＥＳＡＭ也稱為高精細(xì)度Ａ－ＦＰＳＡ。通過控制Ｆ－Ｐ腔長(zhǎng)度（吸收體和逡逑空間夾層的厚度），可使光波在Ｆ－Ｐ腔內(nèi)滿足反共振條件，從而保證ＳＥＳＡＭ具逡逑有寬反射帶寬以及小群速度色散量。同時(shí)，可以通過改變上層電介質(zhì)層的反射率，逡逑調(diào)節(jié)入射到吸收體的光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)器件飽和通量（Ｆｓａｔ）的有效控制。激光腔內(nèi)有逡逑效運(yùn)轉(zhuǎn)的光通量大小與飽和通量直接相關(guān)，因此對(duì)飽和通量的調(diào)節(jié)可以獲得不同逡逑輸出功率量級(jí)的激光脈沖。對(duì)于該結(jié)構(gòu)的ＳＥＳＡＭ器件，Ｂ．Ｂｒａｕｎ等人通過調(diào)整逡逑高精細(xì)度Ａ－ＦＰＳＡ參數(shù)以及泵浦功率，在二極管泵浦Ｎｄ：ＹＶ０４微片激光器逡逑（Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ邋ｌａｓｅｒ）中實(shí)現(xiàn)５６邋ｐｓ－３０邋ｎｓ選擇范圍的調(diào)Ｑ脈沖輸出［４７］；此外

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