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Ultrafast Saturable Absorption in Single-Layer Graphene with Application to Broadband Mode-Locking

Tiago Pinheiro de Faria Pinto

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Ultrafast Saturable Absorption in Single-Layer Graphene with Application to Broadband Mode-Locking Tiago Pinheiro de Faria Pinto Física Faculdade de Ciências 2013 Orientador Helder Manuel Paiva Rebelo Cerejo Crespo, Professor Auxiliar, FCUP Todas as correções determinadas pelo júri, e só essas, foram efetuadas. O Presidente do Júri, Porto, ______/______/_________ ❆❝❦♥♦✇❧❡❞❣♠❡♥ts ■ ✇♦✉❧❞ ❧✐❦❡ t♦ ❡①♣r❡ss ♠② ❣r❛t✐t✉❞❡ t♦ t❤♦s❡ ✇❤♦ ❝♦♥tr✐❜✉t❡❞ ✇✐t❤ t❤❡✐r t✐♠❡ ❛♥❞ r❡s♦✉r❝❡s t♦ ♠❛❦❡ t❤✐s ✇♦r❦ ♣♦ss✐❜❧❡✳ ❼ ■ ✇♦✉❧❞ ❧✐❦❡ t♦ t❤❛♥❦ ♠② s✉♣❡r✈✐s♦r✱ ♣r♦❢❡ss♦r ❍❡❧❞❡r ❈r❡s♣♦✱ ❢♦r t❤❡ ♦♣♣♦rt✉♥✐t② t♦ ❡♠❜❛r❦ ✐♥ s✉❝❤ ❛ ❜♦❧❞ r❡s❡❛r❝❤ ♣r♦❥❡❝t✳ ❲❡ ❜♦t❤ r❡❝♦❣♥✐③❡❞ ❜❡❢♦r❡❤❛♥❞ ❤♦✇ ❛♠❜✐t✐♦✉s ❛♥❞ ❞❡♠❛♥❞✐♥❣ t❤✐s ♣r♦❥❡❝t ✇♦✉❧❞ ❜❡ ❛♥❞ ■ ❛♠ ✈❡r② ❤❛♣♣② t♦ ❜❡ ❞❡❡♠❡❞ ✇♦rt❤② ♦❢ ❤✐s s✉♣♣♦rt✳ ❼ ■ ❛♠ ❛❧s♦ ❣r❛t❡❢✉❧ t♦ ❘♦s❛ ❲❡✐❣❛♥❞ ❛t t❤❡ ❯♥✐✈❡rs✐❞❛❞ ❈♦♠♣❧✉t❡♥s❡ ♦❢ ▼❛❞r✐❞✱ ✇❤♦ ❦✐♥❞❧② ❧❡♥t ✉s t❤❡ ♥❡✇ s✉❜✲❝❛✈✐t② ♠✐rr♦rs✱ ✇✐t❤♦✉t ✇❤✐❝❤ ♠② ♦s❝✐❧❧❛t♦r ✇♦✉❧❞ ♥♦t ♦s❝✐❧❧❛t❡ ❛t ❛❧❧✳ ❼ ■ ✇♦✉❧❞ ❛❧s♦ ❧✐❦❡ t♦ t❤❛♥❦ Pr♦❢❡ss♦r ❏♦❛q✉✐♠ ❆❣♦st✐♥❤♦ ❢♦r ❤✐s t✐♠❡ ❛♥❞ ❛ss✐st❛♥❝❡ ✇✐t❤ t❤❡ ❘❛♠❛♥ s♣❡❝tr♦s❝♦♣② ♠❡❛✉s✉r❡♠❡♥ts✳ ❼ ❲✐t❤ ❤✐s ♣r❡✈✐♦✉s st✉❞✐❡s ✇✐t❤ ❣r❛♣❤❡♥❡ ❛t ❢❡♠t♦❧❛❜✱ ❋r❛♥❝✐s❝♦ ❙✐❧✈❛ ❞r❡✇ ✐♥t❡r❡st t♦ ✉❧tr❛❢❛st ♦♣t✐❝s ✐♥ ❣r❛♣❤❡♥❡ ❛♥❞ ♠❛❞❡ ♠② ✇♦r❦ ♣♦ss✐❜❧❡✳ ❇❡✐♥❣ t❤❡ ♣r❡❝✉rs♦r ♦❢ t❤✐s ✇♦r❦✱ ❤✐s ❡①♣❡r✐❡♥❝❡ ❛♥❞ ❛❞✈✐❝❡ ♣r♦✈❡❞ ✐♥✈❛❧✉❛❜❧❡✱ ❛♥❞ ■ ❛♠ ✈❡r② 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❢♦r t❤❡ ❝❛s❡ ♦❢ s❡✈❡♥ ♦s❝✐❧❧❛t✐♥❣ ♠♦❞❡s ✇✐t❤ ❡q✉❛❧ ❛♠♣❧✐t✉❞❡ ❛♥❞ ❧♦❝❦❡❞ ♣❤❛s❡ r❡❧❛t✐♦♥ ❬✾❪✳ A2(t′) ✐s ♣r♦♣♦rt✐♦♥❛❧ t♦ t❤❡ ❜❡❛♠ ✐♥t❡♥s✐t② ❛♥❞ ✐ts ❢♦r♠ ✐s s❤♦✇♥ ✐♥ ❋✐❣✉r❡ ✻ ❢♦r t❤❡ ❝❛s❡ ✇❤❡r❡ 2n+ 1 = 7 ✳ ❆ ♠♦❞❡✲❧♦❝❦❡❞ ❧❛s❡r ♣r♦❞✉❝❡s ❛ tr❛✐♥ ♦❢ ❡✈❡♥❧② s♣❛❝❡❞ ♣✉❧s❡s✱ s❡♣❛r❛t❡❞ ✐♥ t✐♠❡ ❜② ✷✺ L(t) = σAθAAAne 1−|v(t)|2 PA! ✭✷✽✮ ✇❤❡r❡ θA ✐s t❤❡ ❧❡♥❣t❤ ♦❢ t❤❡ ❛❜s♦r❜❡r✳ ❚❤❡ ♣❛r❛♠❡t❡r Q/QA ❞❡✜♥❡❞ ❜② ✭✶✾✮ ❝❛♥ ♥♦✇ ❜❡ ✇r✐tt❡♥ ❛s Q QA(t)=q 1−|v(t)|2 PA! ✭✷✾✮ ✇✐t❤ q=2σAθAAAne (ω0/2Q)TR ✭✸✵✮ ❚❤✉s✱ ✜♥❛❧❧②✱ ✇❤❡♥ t❤❡ ❡❧❡♠❡♥t s❤♦✇s ❢❛st s❛t✉r❛❜❧❡ ❛❜s♦r♣t✐♦♥✱ t❤❡ ♠❛st❡r ❡q✉❛t✐♦♥ ❢♦r t❤❡ ♣✉❧s❡ ❡♥✈❡❧♦♣❡ ❜❡❝♦♠❡s 1 + q+ (g+δ)1 ωL d dt −g1 + 1 ω2 L d2 dt2v=q|v(t)|2 PA v ✭✸✶✮ ■t ❝❛♥ ❜❡ s❤♦✇♥ t❤❛t ♥♦ ♣❡r✐♦❞✐❝ s♦❧✉t✐♦♥s ❡①✐st ✇❤❡♥ g+δ6= 0 ✳ ■t ✐s ❛ ❢❛✐r❧② ❧♦♥❣ ❞❡♠♦♥str❛t✐♦♥ ✇❡ s❤❛❧❧ s❦✐♣✱ ❜✉t ❝❛♥ ❜❡ ✉♥❞❡rst♦♦❞ ✐♥ ❬✶✸❪✳ ❚❤✐s s✐♠♣❧✐✜❡s t❤❡ ❡q✉❛t✐♦♥ t♦ 1 + q−g1 + 1 ω2 L d2 dt2v−q|v(t)|2 PA v= 0 ✭✸✷✮ ❚❤❡ s♦❧✉t✐♦♥ t♦ t❤✐s ❡q✉❛t✐♦♥ ✐s ♣✉❧s❡❧✐❦❡ ❛♥❞ s②♠♠❡tr✐❝ ✐♥ t✐♠❡✱ ❣✐✈❡♥ ❜② v(t) = v0 s❡❝❤ (t/τp) ✭✸✸✮ ✇✐t❤ qv2 0 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