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拓扑绝缘体Bi2Se3/PVA薄膜在双波长锁模光纤激光器中的应用研究

作者及机构
本研究由Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学）深圳研究生院电子与信息工程学院的Bo Guo、Yong Yao、Jun-Jun Xiao、Rui-Lai Wang和Jian-Yu Zhang合作完成，发表于IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics（IEEE选定主题量子电子学期刊），接受时间为2015年，最终版本未完全编辑前在线发布。

学术背景
本研究属于非线性光学和超快光子学领域。多波长锁模光纤激光器在光通信、生物医学研究和雷达系统中具有重要应用价值。被动锁模技术因其结构简单、成本低、易于实现高峰值功率脉冲等优势成为研究热点。拓扑绝缘体（Topological Insulator, TI）作为一种新型二维层状材料，具有独特的金属边缘态和窄带隙体态特性，近年来被证明是一种高效的饱和吸收体（Saturable Absorber, SA）。特别是Bi2Se3，因其较大的体带隙（约0.3 eV）和显著的饱和吸收效应，成为室温应用的理想候选材料。此外，Bi2Se3还具有极高的三阶非线性折射率（约10⁻¹⁴ m²/W），比传统介质高六个数量级。因此，研究团队旨在探索Bi2Se3同时作为饱和吸收体和高非线性介质在双波长锁模光纤激光器中的双重作用，并研究其产生的多样化脉冲模式。

研究流程
1. 材料制备与表征
- 制备方法：采用液相剥离/旋涂法合成Bi2Se3/PVA薄膜，厚度约25 μm。
- 表征实验：
- 使用Raman光谱（514 nm激发）确认材料晶体结构，观察到71.2 cm⁻¹（A₁¹ᵍ）、130 cm⁻¹（E²ᵍ）和171.6 cm⁻¹（A₂¹ᵍ）三个特征峰。
- 扫描电子显微镜（SEM）显示薄膜呈片层结构。
- 通过功率依赖传输技术测量饱和强度（31.5 mW/cm²）和调制深度（3.4%）。

1. 激光器设计与搭建

   • 核心组件：
     
     • 掺铒光纤（EDF，5 m，色散参数-16.3 ps/(km·nm)）。
       
     • 单模光纤（SMF，长度可调，色散参数18 ps/(km·nm)）。
       
     • 980 nm泵浦激光二极管（LD）、偏振控制器（PC）和隔离器（ISO）。
       
   • Bi2Se3/PVA薄膜集成：将1×1 mm²薄膜夹在光纤连接器之间形成可饱和吸收体。
     

2. 实验操作与数据采集

   • 三种脉冲模式研究：
     
     • 亮脉冲（Bright Pulse）：在SMF长度为21 m时，通过调节PC和泵浦功率（71.3 mW）实现双波长锁模，波长间隔0.5 nm，重复频率9.75 MHz。
       
     • 亮-暗孤子对（Bright-Dark Soliton Pair）：SMF长度为132 m时，在101.5 mW泵浦功率下观察到M形光谱，短波长对应亮孤子（1566.6 nm），长波长对应暗孤子（1567.2 nm），重复频率1.5136 MHz。进一步实现谐波锁模（HML），最高重复率达433.8 MHz（280次谐波）。
       
     • 混合阶梯-暗脉冲（Hybrid Step-like and Dark Pulse）：SMF长度为23 m时，在51.6 mW泵浦功率下获得1562.78 nm（亮孤子）和1563.38 nm（暗孤子）的双波长输出，重复频率8.805 MHz。
       
   • 数据分析：通过光学频谱分析仪（AQ-6317B）、高速光电探测器（10 GHz）和示波器（5 GHz/s）采集脉冲特性，射频（RF）频谱分析验证稳定性（信噪比45-75 dB）。
     

主要结果
1. 材料特性：Bi2Se3/PVA薄膜兼具低饱和强度（31.5 mW/cm²）和高非线性，有效抑制掺铒光纤的模式竞争，稳定双波长振荡。
2. 脉冲多样性：成功实现三种双波长锁模脉冲，其中亮-暗孤子对的谐波锁模为首次报道。
3. 机制分析：
- 亮-暗孤子对的形成归因于偏振效应，通过外部偏振器验证了其偏振依赖性。
- 混合阶梯-暗脉冲的产生与腔滤波效应（由SMF双折射和PC偏振相关损耗共同作用）相关。

结论与价值
1. 科学价值：
- 证实Bi2Se3可作为多功能光子器件（饱和吸收体+非线性介质），为超快非线性光学研究提供新平台。
- 首次实现基于拓扑绝缘体的双波长亮-暗孤子对和谐波锁模，丰富了非线性脉冲动力学理论。
2. 应用价值：
- 为光通信、生物成像和雷达系统提供可调谐、高重复率脉冲光源。
- 薄膜制备方法（液相剥离/旋涂）具有低成本、易集成的优势，适合工业化推广。

研究亮点
1. 创新性方法：首次将Bi2Se3的高非线性效应与饱和吸收特性结合，实现双波长锁模的主动调控。
2. 重要发现：
- 亮-暗孤子对的波长分离现象（短波长亮孤子，长波长暗孤子）纠正了前人研究中难以区分的问题。
- 谐波锁模重复率（433.8 MHz）为同类拓扑绝缘体光纤激光器的最高记录之一。
3. 技术突破：在不依赖人工梳状滤波器的情况下，仅通过腔内双折射和PC调控实现稳定双波长输出，简化了激光器设计。

其他有价值内容
- 研究团队对比了Bi2Se3与其他二维材料（如MoS₂、WS₂）的性能差异，指出其非线性系数和损伤阈值（200 mW）的优势。
- 实验数据公开透明，包括Raman光谱、SEM图像和RF频谱，为同行验证提供了完整依据。

该报告全面覆盖了研究的背景、方法、结果和意义，适合作为学术交流或文献综述的参考内容。