这篇文档属于类型a，是一篇关于基于拓扑绝缘体可饱和吸收体的双波长矩形脉冲掺铒光纤激光器的原创研究论文。以下是详细的学术报告：
1. 主要作者与机构及发表信息
本研究由Bo Guo（第一作者兼通讯作者，哈尔滨工业大学深圳研究生院电子与信息工程学院）、Yong Yao（共同通讯作者，哈尔滨工业大学）、Yan-Fu Yang、Yi-Jun Yuan、Lei Jin（哈尔滨工业大学材料科学与工程学院）、Bo Yan（郑州大学材料科学与工程学院）及Jian-Yu Zhang合作完成。论文标题为《Dual-wavelength rectangular pulse erbium-doped fiber laser based on topological insulator saturable absorber》，于2015年4月17日发表在期刊《Photonics Research》（Vol. 3, No. 3）上，OCIS代码标识为激光器与非线性和平共处光学材料领域。
2. 学术背景与研究目的
科学领域：本研究属于光纤激光器与非线性光学领域，聚焦于被动锁模（mode-locking）技术及拓扑绝缘体（Topological Insulator, TI）在光子学中的应用。
研究背景：
- 矩形脉冲光纤激光器在光通信、光谱学、生物医学等领域有重要应用价值。传统矩形脉冲生成依赖非线性偏振旋转（NPR）或主动锁模技术，但存在结构复杂或成本高的问题。
- 拓扑绝缘体（如Bi₂Se₃）因其宽波段可饱和吸收特性（saturable absorption）和高非线性折射率（∼10⁻¹⁴ m²/W），成为新型可饱和吸收体（Saturable Absorber, SA）的理想材料。
- 此前研究仅实现单波长矩形脉冲，而多波长输出可拓展应用场景（如双波长传感）。
研究目标：
- 利用TI:Bi₂Se₃的可饱和吸收与非线平共处性，首次实现双波长矩形脉冲输出；
- 探究腔体色散对脉冲形状的影响及谐波锁模（Harmonic Mode-Locking, HML）的可能性。
3. 研究流程与实验方法
3.1 TI:Bi₂Se₃/PVA薄膜的制备与表征
- 制备方法：采用溶液剥离法（solution-phase exfoliation）将Bi₂Se₃粉末分散于壳聚糖醋酸溶液，超声30小时后与聚乙烯醇（PVA）混合，旋涂成膜（厚度∼25 μm）。
- 表征手段：
- 形貌分析：扫描电子显微镜（SEM）显示片层结构（图1a-b）。
- 拉曼光谱：确认Bi₂Se₃的特征峰（71.2 cm⁻¹、130 cm⁻¹、171.6 cm⁻¹），证明PVA未破坏其晶体结构（图1c-d）。
- 非线性吸收测试：使用飞秒钛宝石激光器测得调制深度（δT=4.1%）和饱和光强（Iₛₐ=26 mW/cm²），插入损耗仅3 dB。
3.2 激光器腔体设计与实验
- 腔体结构（图3）：
- 环形腔包含4.5 m高掺杂铒光纤（EDF，色散参数-16.3 ps/nm/km）和53 m单模光纤（SMF，色散参数+18 ps/nm/km），净腔体色散为-1.1 ps²。
- 泵浦源为974 nm激光二极管（最大功率200 mW），通过10:90耦合器（OC）输出。
- 关键部件：偏振控制器（PC）、隔离器（ISO）和TI-SA（薄膜夹于光纤连接器间）。
- 实验步骤：
1. 基础测试：未插入TI-SA时，无锁模或双波长现象，排除自锁模干扰。
2. 锁模触发：调节泵浦功率（20 mW阈值）和PC偏振态，实现稳定双波长矩形脉冲。
3. 脉冲特性分析：
- 光谱：双波长中心位于1561.6 nm和1562.1 nm，3 dB带宽0.25 nm（图4a）。
- 时域：脉宽13.62–25.16 ns（可调），重复频率3.54 MHz（对应腔长282.4 ns）（图4b-c）。
- 射频谱：信噪比80 dB，证实锁模稳定性（图4d）。
4. 色散影响实验：通过增加SMF长度（63–110 m）调控净色散（-1.34至-2.42 ps²），发现脉宽随色散增大而展宽，且脉冲轮廓更平滑（图6）。
5. 谐波锁模：调节泵浦功率和PC，实现1–5阶HML（图7），归因于TI的高非线性导致脉冲分裂与等间隔排列。
4. 主要结果与逻辑关联
- 双波长矩形脉冲的生成：通过TI-SA的饱和吸收与PC的滤波效应，首次在掺铒光纤激光器中实现双波长输出，脉冲能量0.593–2.824 nJ，峰值功率43.6–112 mW（图5）。
- 色散与脉冲形状的关系：净反常色散增大使脉冲更接近理想矩形，支持“耗散孤子共振（Dissipative Soliton Resonance, DSR）”理论（图6）。
- 谐波锁模的发现：高非线性使单脉冲分裂为多脉冲并等距排列，拓展了矩形脉冲的应用潜力（图7）。
5. 研究结论与价值
- 科学价值：
- 证实TI:Bi₂Se₃兼具可饱和吸收与高非线性特性，为多波长激光器设计提供新思路。
- 揭示腔体色散对DSR脉冲形成的调控机制，深化对矩形脉冲动力学的理解。
- 应用价值：双波长矩形脉冲在光谱学、生物成像和分布式传感中具有潜力，例如双波长差分吸收检测。
6. 研究亮点
- 创新性方法：首次将TI-SA用于矩形脉冲激光器，并实现双波长输出。
- 技术突破：通过PC和色散调控，实现脉宽可调（13.62–25.16 ns）及谐波锁模。
- 材料优势：TI-SA的低饱和光强（26 mW/cm²）和低插入损耗（3 dB）提升了系统效率。
7. 其他有价值内容
- 损伤阈值：TI-SA可耐受200 mW泵浦功率，优于部分二维材料（如MoS₂）。
- 对比研究：与石墨烯（GO）SA相比，TI-SA的高非线性更利于多波长和谐波锁模操作。
该研究为拓扑绝缘体在光子学中的应用提供了重要案例，同时推动了多波长高能脉冲激光器的发展。