基于石墨烯和拓撲絕緣體的被動調Q固體激光器研究.pdf

1、短脈沖具有高空間分辨率、高時間分辨率、寬帶寬、高峰值功率的特點，廣泛應用于工業(yè)加工、激光雷達、非線性光學等領域。被動調Q因其結構簡單、成本低廉、方便實用等諸多優(yōu)點成為獲取短脈沖的一種重要方式，而被動調Q的關鍵技術又在于可飽和吸收材料的選擇。在被動調Q技術發(fā)展之初的幾十年里，傳統(tǒng)的可飽和吸收體材料如有機染料、可飽和吸收晶體（色心晶體、Cr∶YAG等）受到了廣泛的研究，但是它們穩(wěn)定性差、工作范圍窄，已經無法滿足日新月異的激光脈沖技術的要求。

2、近年來，半導體可飽和吸收鏡(SESAM)、單壁碳納米管(SWCNT)等新型可飽和吸收材料的出現使被動調Q技術初現曙光，但是人們仍然沒有停止尋找性能更優(yōu)良的可飽和吸收材料的步伐。2009年，南洋理工大學的Q.Bao等人發(fā)現石墨烯在強光照射下吸收率會出現飽和狀態(tài);2012年，F.Bernard等人在研究三維拓撲絕緣體Bi2Te3非線性效應的時候，測量到了Bi2Te3的可飽和吸收特性。這兩種三維狄拉克可飽和吸收材料的發(fā)現，使被動調Q技術進入了

3、一個全新的紀元。石墨烯和拓撲絕緣體可飽和吸收體具有損傷閾值高、工作波長范圍廣、恢復時間短等一系列優(yōu)點，是近乎理想的可飽和吸收材料。本文正是基于以上的背景，利用石墨烯和拓撲絕緣體作為調Q元件，對被動調Q全固態(tài)激光器進行了理論分析和實驗探究。其主要內容和創(chuàng)新點總結如下:
　　1)介紹了被動調Q固體激光器的理論。包括LD泵浦固體激光器的發(fā)展歷程及優(yōu)點，激光晶體特別是后文中用到的兩種摻釹晶體(Nd∶YAG和Nd∶YVO4)的能級結構和各自

4、的優(yōu)缺點，以及不同的切割方向對于晶體特性的影響，闡述了Q值定義、調Q原理和調Q速率方程，并通過求解速率方程得到調Q脈沖參數表達式。
　　2)石墨烯和拓撲絕緣體可飽和吸收鏡的制備方法和表征。敘述了化學氣相沉積法(CVD)制備石墨烯的步驟和CVD石墨烯可飽和吸收鏡物理光學特性的測量方法和結果分析;詳細介紹了少層Bi2Se3的制備步驟和將少層Bi2Se3轉移到可飽和吸收鏡的過程，分析了TI∶ Bi2Se3可飽和吸收鏡的物理特性和可飽和吸

5、收體特性。
　　3)不同層數CVD石墨烯、不同激光晶體被動調Q固體激光器的實驗研究。首先進行Nd∶YAG和c切Nd∶YVO4連續(xù)固體激光器的實驗研究，再分別將單層、雙層、3～5層、6～10層石墨烯可飽和吸收鏡插入到激光器中作為Q開關進行被動調Q實驗。分析兩種激光晶體、四種不同層數CVD石墨烯所得調Q脈沖特性參數，比較結果并分析原因。
　　4)基于拓撲絕緣體沿c軸切割（簡稱c切）Nd∶YVO4被動調Q固體激光器的實驗研究。將制