学术研究报告：基于拓扑绝缘体Bi₂Se₃溶液的可调谐三波长锁模光纤激光器

一、作者及发表信息
本研究由Bo Guo和Yong Yao（哈尔滨工业大学深圳研究生院电子信息工程学院）合作完成，发表于SPIE旗下期刊Optical Engineering 2016年8月刊（Vol. 55, Issue 8），论文标题为《Tunable triple-wavelength mode-locked fiber laser with topological insulator Bi₂Se₃ solution》，DOI编号10.¹¹¹⁷⁄₁.OE.55.8.081315。

二、学术背景
1. 研究领域与动机
该研究属于超快光子学与光纤激光技术领域，旨在解决传统可饱和吸收体（Saturable Absorber, SA）在锁模激光器中的局限性。传统材料如半导体可饱和吸收镜（SESAMs）带宽窄、制备复杂，碳纳米管（CNTs）存在非饱和损耗高的问题，而石墨烯虽具宽带吸收特性，但其零带隙和低吸收效率（~2%/层）限制了光调制能力。拓扑绝缘体（Topological Insulator, TI）如Bi₂Se₃因其独特的表面金属态和窄带隙体态特性，兼具宽带可饱和吸收与高非线性效应，成为新型SA的理想候选。

1. 科学目标
   本研究首次利用Bi₂Se₃/PVA（聚乙烯醇）溶液同时作为SA和高非线性介质，实现了可调谐三波长锁模掺铒光纤激光器（EDFL），并探索其在多波长脉冲生成中的稳定性与调控机制。

三、研究方法与流程
1. Bi₂Se₃/PVA溶液的制备与表征
- 制备方法：采用水热插层法和液相剥离法合成少层Bi₂Se₃纳米片，分散于PVA溶液中形成均匀悬浊液。
- 表征手段：
- 拉曼光谱：确认Bi₂Se₃特征峰（A₁ᵢ₋峰71.2 cm⁻¹、E₂ᵢ峰130 cm⁻¹、A₂ᵢ₋峰171.6 cm⁻¹）。
- 扫描电镜（SEM）：显示纳米片层状结构（分辨率1 μm）。
- 非线性吸收测试：调制深度7.8%，饱和光强40 mW/cm²（1550 nm），显著低于块体Bi₂Se₃，降低锁模阈值。

1. 光纤激光器腔体设计与组装

   • 关键组件：
     
     • 增益介质：4.5 m或8.5 m高掺杂铒纤（EDF，色散参数-16.3 ps/(km·nm)）。
       
     • 非线性介质：18 m单模光纤（SMF，色散参数18 ps/(km·nm)）。
       
     • 锁模器件：通过光学沉积法将Bi₂Se₃/PVA溶液自组装到光纤端面，形成全光纤兼容SA（沉积时间10 min，泵浦功率80 mW）。
       
   • 辅助设备：976 nm激光二极管（泵浦源）、偏振控制器（PC）、10:90光纤耦合器（OC）等。

2. 实验操作与数据采集

   • 锁模调控：通过调节泵浦功率（130–175 mW）和PC偏振态，实现单/双/三波长锁模切换。
     
   • 性能测试：
     
     • 光谱分析：光学频谱仪（Ando AQ-6317b，分辨率0.01 nm）记录波长调谐范围（~1 nm）和波长间距（1.7或2 nm）。
       
     • 脉冲特征：示波器（Tektronix MDO 4054-6）观测脉冲序列（重复频率8.95 MHz），射频（RF）频谱分析信噪比（~45 dB）。
       
     • 输出功率：功率计测量最大输出10 mW（泵浦175 mW），脉冲能量1.12 nJ。

四、主要结果
1. 多波长锁模性能
- 三波长输出：中心波长1530 nm（EDF=4.5 m）或1550 nm（EDF=8.5 m），3 dB带宽~2 nm/波长，波长间距动态可调。
- 稳定性验证：9小时连续观测光谱无漂移，RF频谱基频稳定（8.95 MHz），证实长期稳定性。

1. 非线性机制分析

   • 双效应协同：
     
     1. 可饱和吸收：Bi₂Se₃ SA实现锁模启动。
        
     2. 高非线性效应：诱导巨大三阶非线性折射率，与SMF双折射共同形成光谱滤波效应，克服EDFL模式竞争，稳定多波长振荡。

2. 对比实验验证

   • 移除Bi₂Se₃ SA后，未观测到锁模或多波长脉冲，排除自锁模或法布里-珀罗腔效应。

五、结论与价值
1. 科学意义
- 首次验证Bi₂Se₃兼具SA与非线性介质的双重功能，为多波长锁模激光器提供了新材料方案。
- 提出“SA+非线性滤波”协同机制，拓展了拓扑绝缘体在超快光子学中的应用范式。

1. 应用潜力
   
   • 光通信：多波长脉冲可用于波分复用（WDM）系统。
     
   • 生物医学与传感：可调谐波长适用于光谱分析与分布式传感。

六、研究亮点
1. 创新材料应用：首次利用Bi₂Se₃溶液实现三波长锁模，制备成本低且兼容光纤集成。
2. 动态调控能力：通过泵浦功率和偏振态即可灵活切换波长数量与间距。
3. 稳定性突破：窄带滤波效应抑制模式竞争，解决多波长激光器长期存在的稳定性难题。

七、其他发现
研究还发现，Bi₂Se₃的损伤阈值达200 mW，高于常规SA材料（如石墨烯），进一步提升了实用可靠性。作者指出，未来可通过优化腔体设计或引入组合滤波器进一步提升光谱宽度和脉冲宽度性能。