学术研究报告：基于WS₂光纤锥的双波长孤子锁模光纤激光器
研究团队与发表信息
- 作者：Bo Guo, Yong Yao, Pei-Guang Yan, Ke Xu, Jing-Jing Liu, Shu-Guang Wang, Yuan Li
- 机构：哈尔滨工业大学（深圳）电子信息工程学院、深圳大学激光工程学院、福建农林大学、哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院
- 期刊与时间：发表于《IEEE Photonics Technology Letters》，2015年10月接收，DOI: 10.1109/LPT.2015.2495330
学术背景与研究动机
- 科学领域：非线性光学与超快光子学，聚焦二维材料（如WS₂）在光纤激光器中的应用。
- 研究背景：
- 过渡金属二硫化物（TMDs，Transition Metal Dichalcogenides）如WS₂，因其独特的能带结构和非线性光学性能（如饱和吸收效应和巨非线性折射率）成为新型光子器件的研究热点。
- 传统多波长锁模激光需复杂调制手段，而基于WS₂的被动锁模技术可简化结构并提升性能。
- 研究目标：利用脉冲激光沉积（PLD, Pulsed Laser Deposition）法制备WS₂光纤锥，实现单/双波长飞秒孤子脉冲输出，验证WS₂兼具饱和吸收体（SA, Saturable Absorber）和高非线性光子器件的双重功能。
研究流程与方法
- 步骤1：WS₂光纤锥制备与表征
- 方法：采用PLD技术在真空环境下（5×10⁻⁴ Pa）将WS₂薄膜沉积于锥腰直径22 μm的光纤锥上，沉积时间1.5小时。
- 表征实验：
- 形貌分析：SEM显示薄膜厚度约25 nm（约80层WS₂），拉曼光谱确认特征峰（A₁g: 352.6 cm⁻¹, E²₁g: 418.1 cm⁻¹）。
- 光学性能：线性透射率87.5%@1560 nm，非线性测试显示双区饱和吸收特性（调制深度0.7%和6.5%）。
- 步骤2：激光器腔体设计与搭建
- 结构：环腔包含4.5 m掺铒光纤（EDF, Erbium-Doped Fiber）和18.5 m单模光纤（SMF），净色散-0.36 ps²。
- 关键元件：WS₂光纤锥作为SA，结合偏振控制器（PC）调节双波长振荡。
- 步骤3：锁模脉冲生成与测试
- 实验条件：泵浦功率15–420 mW，通过调整PC实现单/双波长切换。
- 测试设备：光谱分析仪（分辨率0.01 nm）、示波器（5 GHz/s）、功率计等。
主要结果
- 单波长孤子：中心波长1560 nm，脉宽理论估算220 fs（Kelly边带证实孤子特性）。
- 双波长孤子：
- 波长1558.54 nm和1565.99 nm，脉宽585 fs和605 fs。
- 最大输出功率10.1 mW，脉冲能量1.14 nJ，峰值功率1.95 kW/1.88 kW。
- 稳定性验证：
- RF频谱信噪比50 dB（8.83 MHz重复频率），14小时光谱监测无漂移。
- 双波长机制归因于WS₂的强非线性效应（n₂~10⁻¹¹ m²/W）和腔内双折射滤波的协同作用。
结论与价值
- 科学意义：
- 首次将PLD法制备的WS₂光纤锥同时作为SA和高非线性介质，解决了多波长激光的模态竞争问题。
- 揭示了WS₂在1550 nm波段的亚带隙吸收机制（缺陷或边缘态主导）。
- 应用前景：在光通信、生物医学雷达等领域为超快多波长光源提供了新材料方案。
研究亮点
- 创新方法：PLD法制备的WS₂薄膜兼具均匀性和高非线性，突破传统SA制备技术的局限性（如聚合物膜易损、PCF填充损耗大）。
- 性能突破：双波长孤子脉冲的稳定输出为多波长激光器设计提供了新范式。
- 理论支撑：通过色散管理腔设计验证了-0.36 ps²净色散下孤子形成的可行性。
其他发现
- 实验排除了非线性偏振演化（NPE, Nonlinear Polarization Evolution）和法布里-珀罗腔效应的干扰，确认WS₂-SA的主导作用。
- 未来可通过带通滤波器进一步分离双波长孤子，拓展多通道应用。
（注：全文严格遵守术语翻译规范，如首次出现“Saturable Absorber”标注为“饱和吸收体（SA）”）