中红外2.8 μm波段锁模光纤激光器的突破：基于CVD制备WSe2可饱和吸收镜的研究

一、研究团队与发表信息
本研究由Chunyu Guo、Jincheng Wei、Peiguang Yan等来自深圳大学物理与光电工程学院（Shenzhen University）的团队主导，合作单位包括哈尔滨工程大学（Harbin Engineering University）、英国南安普顿大学（University of Southampton）以及深圳市汉激光技术产业集团有限公司（Han’s Laser Technology Industry Group）。研究成果于2020年发表于《Applied Physics Express》期刊，标题为《Mode-locked fiber laser at 2.8 μm using a chemical-vapor-deposited WSe2 saturable absorber mirror》。

二、学术背景与研究目标
中红外激光（2–5 μm波段）在光谱学、气体传感等领域具有重要应用，其中2.8 μm激光因水分子在此波段的强吸收特性备受关注。尽管连续波（CW）光纤激光器已实现高功率输出（如41.6 W），但短脉冲、高峰值功率的锁模激光器更能满足精密应用需求。然而，现有中红外可饱和吸收体（SA）如半导体可饱和吸收镜（SESAM）、石墨烯等存在调制深度不足、制备复杂或稳定性差等问题。

本研究首次利用化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）法制备的二硒化钨（WSe2）可饱和吸收镜（Saturable Absorber Mirror, SAM），实现了2.8 μm波段铒掺杂ZBLAN光纤的稳定锁模激光输出，旨在解决传统SA在中红外领域的性能瓶颈。

三、研究方法与流程
1. WSe2-SAM的制备与表征
- CVD生长与转移：在Al2O3衬底上生长WSe2薄膜，通过聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）辅助转移技术将其转移到金镀层镜面，利用范德华力固定。
- 结构分析：原子力显微镜（AFM）显示薄膜厚度为5.6 nm（约8层WSe2）；拉曼光谱（Raman spectrum）确认了250.4 cm⁻¹（E2g模式）和258.7 cm⁻¹（A1g模式）的特征峰，表明材料的高结晶质量。
- 非线性吸收特性：使用2.8 μm锁模激光测试SAM性能，测得调制深度达24%（当前中红外SA最高值），饱和强度为11 MW/cm²，非饱和损耗为20%。

1. 激光器系统搭建

   • 增益介质：采用2.2 m长的6 mol%铒掺杂ZBLAN双包层光纤，泵浦源为976 nm激光二极管。
     
   • 光学设计：通过CaF2透镜组耦合泵浦光，45°二向色镜输出2.8 μm激光，并使用长通滤光片消除杂散光。
     
   • 热管理：光纤端面采用水冷夹具和氮气吹扫，避免ZBLAN光纤的热损伤。
     

2. 锁模性能测试

   • 输出特性：在1.74 W泵浦功率下实现锁模，最大平均功率360 mW，脉冲宽度21 ps，重复频率42.43 MHz（对应腔长2.4 m）。
     
   • 稳定性验证：射频频谱信噪比达60 dB，且WSe2-SAM在空气中稳定工作一个月未退化。
     

四、主要结果与科学意义
1. 高性能WSe2-SAM的验证：CVD法制备的WSe2-SAM展现出24%的调制深度和11 MW/cm²的饱和强度，优于表中列出的其他中红外SA（如SESAM、黑磷等）。
2. 锁模激光输出：首次实现基于过渡金属硫族化合物（TMD）SAM的中红外锁模激光，脉冲能量达8.4 nJ，时间带宽积为6.39，表明脉冲存在显著啁啾。
3. 技术突破：通过优化热管理（如氮气保护与冷却），解决了ZBLAN光纤在高功率下的热稳定性问题。

五、结论与研究价值
该研究不仅证明了TMD材料在中红外锁模激光器中的可行性，还为低成本、高性能SAM的制备提供了新思路。其科学价值体现在：
1. 材料创新：CVD-WSe2的缺陷和边缘态增强了非线性吸收，填补了中红外SA高调制深度的空白。
2. 应用前景：该激光器可用于生物医疗（如水分检测）、环境监测（温室气体分析）等领域。

六、研究亮点
1. 首次实现TMD-SAM的中红外锁模：此前TMD-SA仅用于近红外波段，本研究扩展了其应用范围。
2. 高调制深度与稳定性：24%的调制深度为当前中红外SA的最高记录，且环境稳定性优异。
3. 工艺可扩展性：CVD法制备的WSe2薄膜可批量生产，具有工业化潜力。

七、其他价值内容
团队计划进一步优化SAM的长期稳定性，例如通过MgF2镀层保护。此外，研究中的热管理方案为高功率ZBLAN光纤激光器的设计提供了参考。

（注：专业术语均按原文首次出现时标注英文，如“可饱和吸收镜（Saturable Absorber Mirror, SAM）”）