二維材料MoS2的寬譜超快光纖激光特性研究.pdf

1、二維材料石墨烯(單原子層)的成功剝落，使得二維材料在過去十幾年間得以快速的發(fā)展，成為一種極具潛力的新型的光電子學(xué)材料。隨著科技的進步，科學(xué)家又成功地制備出了如拓?fù)浣^緣體、過渡金屬氧化物、過渡金屬硫化物、黑磷等新型的二維材料，使得二維材料的家族不斷擴展，獲得了人們越來越多的重視。這里的二維材料主要是指厚度為單原子層或接近單原子層的層狀材料，電子的運動被限制在近二維的平面空間，量子局域效應(yīng)對材料的電子行為及光電特性有顯著影響。因為具有獨特的

2、性能以及高的表面體積比，二維材料在某些領(lǐng)域表現(xiàn)出非常優(yōu)異的性能及巨大的應(yīng)用潛質(zhì)，比如新型的發(fā)光光源、光探測器、光調(diào)制器、傳感器、太陽能電池、鋰電電池等。
　　石墨烯的成功極大地推動了二維材料的發(fā)展，但石墨烯是一種無帶隙材料，在某些領(lǐng)域限制了其性能，如難以實現(xiàn)高效發(fā)光、作為調(diào)制器得不到高的消光比等。而二維過渡金屬硫化物（TMDCs）的出現(xiàn)及發(fā)展很好地彌補了石墨烯的缺陷，并且展示出諸多獨特的光電特性，如強烈的自旋谷極化選擇特性等。經(jīng)過

3、十來年的發(fā)展，二維過渡金屬硫化物已經(jīng)在光源、光探測、調(diào)制等光電器件領(lǐng)域展示出了優(yōu)異的性能和廣闊的應(yīng)用前景。但是，二維過渡金屬硫化物的非線性光學(xué)特性尚有許多領(lǐng)域亟待深入研究，特別是在近中紅外、中紅外等長波領(lǐng)域的非線性光電子特性方面，這方面的研究不僅能探索過渡金屬硫化物二維材料的新的光電子效應(yīng)和電子動力學(xué)行為，也將開辟二維材料的應(yīng)用新領(lǐng)域。
　　本文主要集中于對過渡金屬硫化物中的二維材料二硫化鉬（MoS2）的非線性光電特性的研究。為了

4、便于更好的理解二維材料的特殊性，文章對二維材料的結(jié)構(gòu)、材料特性、制備方法等進行詳細(xì)的綜述。同時，還給出了基于第一性原理計算方法的VASP軟件仿真結(jié)果，并對二維材料二硫化鉬（MoS2）的工作機理做了深入而全面的闡述。尤其是二維材料二硫化鉬作為非線性可飽和吸收體在超短脈沖光纖激光器方面的應(yīng)用機理、應(yīng)用優(yōu)勢以及材料要求，本文都做了詳細(xì)的探討與分析。
　　基于全面而詳細(xì)的理論分析之后，便制備了不同參數(shù)的溶液型MoS2材料，該溶液性材料通過

5、滴涂在高反射鏡上便可得到層狀MoS2可飽和吸收體。通過科學(xué)地設(shè)計MoS2可飽和吸收體（改變二維材料厚度、材料濃度等）和光纖激光器系統(tǒng)構(gòu)型，通過不斷的實驗分析和調(diào)試，測得了二維MoS2材料從1μm到3μm的非線性光吸收特性，并將其應(yīng)用到光纖激光系統(tǒng)中，成功地實現(xiàn)了從1μm到3μm的光纖激光器鎖?；蛘{(diào)Q激光脈沖輸出。另外，根據(jù)二硫化鉬材料寬光譜的特性，成功的實現(xiàn)了基于MoS2的鎖模激光光譜數(shù)字輸出，為二維材料在數(shù)字通訊、測量等系統(tǒng)中的應(yīng)用打

6、開了一扇窗。具體內(nèi)容主要分為以下幾部分：
　　1.文章討論了 MoS2的結(jié)構(gòu)、材料特性、主要應(yīng)用、制備方法等。通過詳細(xì)的對比研究，找到了獲取高純度，性能優(yōu)異MoS2少層材料的方法。同時，文章利用第一計算原理對MoS2材料的寬譜特性進行了分析，為研究二維材料MoS2的光電特性提供了理論工具。同時，還對MoS2材料的非線性特性進行了詳細(xì)的研究，證明了其是用于產(chǎn)生寬譜鎖模激光器的合適材料。
　　2.文章設(shè)計了簡潔的線性光纖激光腔，

7、得到了以MoS2為可飽和吸收體的1μm調(diào)Q光纖激光器。激光器斜效率達(dá)到了63.89%，調(diào)Q輸出的最大功率243.4 mW，對應(yīng)的脈沖寬度1.53μs，脈沖能量高達(dá)5.9μJ。又通過優(yōu)化光纖激光器結(jié)構(gòu)，設(shè)計了環(huán)形光纖激光腔，實現(xiàn)了其在1微米波段的鎖模。鎖模激光最大輸出功率2.6 mW，信噪比大于50 dB，脈沖寬度~300 ps。
　　3.基于MoS2原子配比缺陷特性，利用摻銩光纖及優(yōu)化后的線性激光腔，將MoS2鎖模/調(diào)Q光譜擴展到

8、了2μm波段。系統(tǒng)調(diào)Q輸出激光的中心波長為1888.2 nm，脈沖寬度1.62μs，帶寬2.33 nm。鎖模激光的輸出波長為1904.38 nm，脈沖寬度為~774 ps，3dB帶寬為17.6 nm。
　　4.基于1μm鎖模系統(tǒng)以及MoS2材料的寬光譜特性，控制鎖模系統(tǒng)中光纖的選取，實現(xiàn)PC對激光偏振態(tài)的大范圍控制；進而實現(xiàn)了等間距的數(shù)字光譜輸出。通過控制激光腔的長度進而控制數(shù)字光譜的間距。實驗上通過調(diào)整偏振控制器（PC），實現(xiàn)了

9、激光器在1057 nm、1063 nm、1069 nm、1075 nm等四個波長處的任意變換，四個波長的任意組合輸出。從實驗上第一次利用二維材料制作出了從0~15的四位二進制數(shù)字光譜。
　　5.根據(jù)前邊已經(jīng)驗證的MoS2寬譜特性，重新設(shè)計了可以用于產(chǎn)生3μm激光的光纖激光器。利用ZEBLAN光纖實現(xiàn)了2754 nm波長的激光輸出。第一次利用二維材料MoS2實現(xiàn)其在3微米波段的調(diào)Q激光輸出。調(diào)Q輸出激光的脈沖最大輸出功率140 mW