沸石基单壁碳纳米管的脉冲光纤激光器研究

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沸石晶体由于其规则的孔道结构特点而得到人们的广泛关注,它具有分离,离子交换,催化等重大应用,更是作为主体材料来组装先进主客体材料的关键模板。在沸石晶体的制备方面主要追求两个方面,分别是纳米尺度的沸石晶体和大尺寸沸石单晶。这其中沸石大单晶的制备是进行晶体结构分析,晶体生长机理研究和先进功能材料组装的重要前提。近年来,单壁碳纳米管已广泛作为饱和吸收体来实现光纤激光器的脉冲输出。然而受所用单壁碳纳米管的限制,光纤激光器面临运行功率较低,脉冲的运行状态单一的问题,这大大限制了光纤激光器的应用。本文主要研究了各合成参数对多种沸石晶体生长的影响,探讨出了多种沸石晶体的最优合成条件。利用所合成的ZnAPO4-11(AEL)和Al PO4-5(AFI)沸石晶体为模板制备了高定向的单壁碳纳米管。利用高定向的单壁碳纳米管为偏振相关的饱和吸收体实现了激光脉冲状态可切换和耐高功率运行的脉冲光纤激光器。主要工作如下:1)系统研究了凝胶组份和晶化条件对ZAPSO-43(GIS)沸石晶体生长的影响。通过优化如下合成参数:晶化温度,晶化时间,硅铝摩尔比,锌铝摩尔比,氢氟酸含量和有机模板剂DPA含量,成功合成了高质量,迄今为止尺寸最大的GIS沸石晶体(250μm)。单晶X射线衍射结果表明所合成了GIS沸石晶体结构为fddd空间点阵群结构,晶格常数a=9.9985?,b=14.2565?,c=14.5726?,α=β=γ=90°,晶胞体积为V=2077.23?3。2)系统研究了多种合成参数对Al PO-LTA沸石晶体形貌与尺寸的影响,例如陈化时间,水含量,有机模板剂NPA含量和HF含量。首次以NPA为单一模板剂,在高水含量和无氢氟酸存在的条件下合成了光学透明的Al PO-LTA沸石大单晶(170μm)。单晶衍射结果显示Al PO-LTA沸石晶体的结构为Pm3m空间点阵群结构,晶格常数a=b=c=12.02?,α=β=γ=90°,晶胞体积为V=1736.65?3。3)首次在一步温度法情况下,利用NPA为模板剂成功合成了SAPO-47(CHA)沸石晶体。研究发现产物对凝胶组份和晶化条件非常敏感。通过优化硅铝摩尔比,HF以及NPA含量,在晶化温度和晶化时间分别为170°C和50 h的条件下成功合成了完美立方形貌的CHA沸石晶体(260μm×260μm)。4)系统探讨了硅铝摩尔比,HF和DPA含量对SAPO-46(AFS)沸石晶体的影响,成功合成了完美的AFS沸石大单晶(180μm×180μm)。单晶结果表明AFS晶体结构为P63cm空间点阵群结构,晶格常数a=b=13.295?,c=26.742?,α=β=90°,γ=120°,晶胞体积为V=4093.56?3。5)探索合成了ZnAPO4-11(AEL)和Al PO4-5(AFI)这两种具有一维孔道结构的沸石大单晶,并利用AEL和AFI为模板合成了高度定向的单壁碳纳米管,其尺寸分别为0.3 nm和0.4 nm。这种高定向的单壁碳纳米管表现出光的偏振吸收特性。6)定向单壁碳纳米管的偏振吸收特性使其可用作偏振相关的饱和吸收体,将一个宿主了定向碳管的沸石晶体置于光纤激光器腔内,成功实现了在同一泵浦功率下脉冲状态可切换(调Q和锁模)的光纤激光器。具体来说,在同一泵浦功率下,利用宿主在AEL沸石晶体孔道内的高定向0.3 nm单壁碳纳米管作为饱和吸收体同时实现了在掺铒光纤激光器和掺镱光纤激光器的脉冲运行状态在锁模和调Q之间的自由切换。其中在掺铒光纤激光器上所设定的泵浦功率为310 m W,所获得锁模脉冲的输出中心波长位置为1563.5 nm,重复频率和周期分别为21.68 MHz和46.13 ns,其脉冲宽度为180 fs。通过偏振控制器改变腔光的偏振态,上述锁模脉冲运行状态便可切换为调Q脉冲运行状态,其调Q的输出中心波长位置为1563.4 nm,脉宽和重复频率分别为4.3μs和32.55 k Hz。在掺镱光纤激光器中所设定的泵浦功率为350 m W,所获得的锁模脉冲输出中心波长位置为1048.3 nm,锁模脉冲的重复频率和周期分别为25.34 MHz和39.47 ns,脉宽为463ps。同样通过偏振控制器来改变腔内光的偏振态,锁模脉冲运行状态便可切换为调Q脉冲运行状态,其调Q脉冲的输出中心波长位置为1039.5 nm,重复频率和脉宽分别为27.85k Hz和5.8μs。利用宿主在AFI沸石孔道内的高定向0.4 nm单壁碳纳米管为偏振相关饱和吸收体实现了脉冲状态可切换的掺铒光纤激光器。所设定的泵浦功率为330 m W,所获得锁模脉冲输出中心波长位置为1563.9 nm,重复频率和周期分别为23.2 MHz和43ns,脉冲宽度为560 fs。通过调制偏振控制器,上述锁模运行状态便可切换为调Q运行状态,其输出中心波长位置为1568.5 nm,重复频率和脉宽分别为24.25 k Hz和5.2μs。
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