本文档属于类型a，即报告一项原创性研究的学术论文。以下是针对该研究的详细学术报告：
1. 作者及发表信息
该研究由来自中国哈尔滨工程大学光纤集成光学教育部重点实验室（Key Lab of In-Fiber Integrated Optics, Ministry Education of China）的Bo Guo、Shi Li、Ya-Xian Fan、Pengfei Wang团队完成，合作单位包括爱尔兰都柏林理工学院光子学研究中心（Photonics Research Centre, Dublin Institute of Technology）。研究成果发表于期刊Optics Communications第406卷（2018年），标题为《Versatile soliton emission from a WS₂ mode-locked fiber laser》。
2. 学术背景
科学领域与研究动机
研究属于非线性光学与光纤激光器领域，聚焦二维材料（2D materials）在超快光子学中的应用。近年来，二硫化钨（WS₂）作为过渡金属二硫化物（TMDCs）的代表，因其优异的可饱和吸收（saturable absorption）和高非线性折射率（nonlinear refractive index, ∼10⁻¹¹ m²/W）特性，成为锁模光纤激光器的理想增益介质。然而，WS₂同时兼具这两种特性的潜力（即作为锁模器（mode-locker）和非线性介质的双重功能）尚未被充分探索。
研究目标
团队旨在通过将WS₂沉积于微光纤（microfiber）上，构建一种复合器件，验证其在光纤激光腔中同时实现锁模和调控多种孤子（soliton）脉冲的能力，包括双波长孤子（dual-wavelength soliton）、噪声状脉冲（noise-like pulse）、常规孤子（conventional soliton）及其谐波形式（harmonic mode-locking）。
3. 研究流程与方法
3.1 WS₂微光纤器件的制备与表征
- 材料制备：采用液相剥离法（liquid-phase exfoliation）制备少层WS₂纳米片（浓度0.1 mg/mL），并通过光学沉积法（optical deposition method）将其转移至直径~20 μm的锥形微光纤表面。
- 表征技术：
- 拉曼光谱（Raman spectrum）：确认WS₂的特征振动峰（E₁₂g和A₁g模式，位于352.6 cm⁻¹和418.1 cm⁻¹）。
- 扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）：验证WS₂的片状结构及厚度分布。
- 可饱和吸收测试：通过功率依赖传输实验测得饱和强度（42.6 mW/cm²）、调制深度（1%）和非饱和损耗（6.2%）。
3.2 光纤激光器搭建与实验设计
- 激光腔结构：采用环形腔设计，核心组件包括：
- 掺铒光纤（EDF，5 m，色散参数-16.3 ps/(km·nm)）
- 单模光纤（SMF，50 m或90 m，色散参数18 ps/(km·nm)）
- WS₂微光纤器件（插入损耗3 dB）
- 偏振控制器（PC）用于调节腔内双折射。
- 实验步骤：
- 基础验证：无WS₂器件时，仅通过泵浦功率（0–420 mW）和偏振调节无法实现锁模，排除非线性偏振旋转（NPR）效应。
- 多孤子生成：插入WS₂器件后，通过调节泵浦功率和偏振态，分别激发不同类型的孤子脉冲。
4. 主要实验结果
4.1 双波长孤子
- 条件：SMF长度50 m（净腔色散-1.09 ps²），泵浦功率72–210 mW。
- 特征数据：
- 光谱：双峰位于1568.55 nm和1569 nm，间隔0.45 nm，3 dB带宽0.27 nm，伴随凯利边带（Kelly sidebands）。
- 脉冲宽度：11 ps（sech²拟合），时间带宽积（TBP）0.33。
- 输出功率：14.2 mW（泵浦420 mW时），斜率效率3.65%。
- 机制：WS₂增强腔内双折射滤波效应，促成双波长振荡。
4.2 噪声状脉冲
- 条件：SMF 50 m，泵浦300 mW。
- 特征数据：
- 光谱：三角形轮廓，带宽0.48 nm。
- 时域：脉冲包络含随机子结构（高斯拟合），单脉冲能量4.74 nJ。
- 机制：WS₂的高非线性引发拉曼效应，导致多脉冲相干性破坏。
4.3 常规孤子及其谐波
- 条件：SMF 90 m（净色散-2 ps²），泵浦180 mW。
- 特征数据：
- 常规孤子：光谱带宽0.32 nm，脉冲宽度7.8 ps（TBP 0.32）。
- 谐波锁模：最高谐波阶数135阶，重复频率497.5 MHz（对应基频3.69 MHz）。
- 机制：色散与自相位调制平衡，WS₂非线性促进多孤子有序排列。
5. 结论与价值
科学价值
- 双功能器件验证：首次证实WS₂微光纤可同时作为锁模器和高非线性介质，为二维材料在光子器件中的应用提供了新范式。
- 孤子多样性调控：通过单一器件实现多种孤子态的灵活切换，丰富了非线性动力学研究平台。
应用潜力
- 高功率脉冲源：双波长孤子14.2 mW的输出功率为多波长激光器设计提供参考。
- 高频信号生成：497.5 MHz的谐波重复频率在光通信和传感中有直接应用价值。
6. 研究亮点
- 材料创新：WS₂微光纤器件的双功能设计兼具高非线性（n₂∼10⁻¹¹ m²/W）和低插入损耗（3 dB）。
- 性能突破：创造了WS₂锁模激光器的最高谐波阶数记录（135阶）。
- 机制揭示：通过实验阐明了WS₂对孤子多样性的调控作用，包括双折射滤波、拉曼散射及高阶色散补偿。
7. 其他贡献
- 对比分析：表1总结了WS₂与其他材料（如石墨烯、Bi₂Te₃）在双波长孤子性能上的优势（如更小的波长间隔0.42 nm）。
- 未来方向：提出WS₂器件可用于探索耗散孤子共振（dissipative soliton resonance）和孤子分子（soliton molecules）等复杂非线性现象。