基于二维铋烯（bismuthene）可饱和吸收体的亚200 fs孤子锁模光纤激光器研究

作者及发表信息
本研究由哈尔滨工程大学教育部光纤集成光学重点实验室的Bo Guo、Shi-Hao Wang等与深圳大学磷烯与光电子学深圳市重点实验室的Hao Huang、Feng Zhang等合作完成。研究成果以《sub-200 fs soliton mode-locked fiber laser based on bismuthene saturable absorber》为题，于2018年8月21日发表于《Optics Express》（Vol. 26, No. 18）。

学术背景

研究领域与动机
该研究属于超快光子学和非线性光学领域，聚焦于二维材料在光纤激光器中作为可饱和吸收体（Saturable Absorber, SA）的应用。传统二维材料（如石墨烯、拓扑绝缘体）因带隙限制或制备复杂等问题，难以满足高性能锁模激光器的需求。而第五主族单层材料（如铋烯）因其独特的电子输运特性、可调带隙（0.36–0.55 eV）及长期稳定性，成为新型SA的候选材料。
研究目标
首次利用铋烯SA实现亚200 fs的孤子锁模激光输出，验证其非线性光学特性及在超快光子学中的潜力。

研究方法与流程

1. 铋烯的合成与表征
- 合成方法：采用声化学剥离法（sonochemical exfoliation）从块体铋制备少层铋烯纳米片。具体步骤包括：
1. 将高纯铋（99.999%）研磨成粉末，分散于乙醇溶液中。
2. 冰浴超声与探针超声结合处理15小时，离心后获得铋烯分散液。
- 表征技术：
- 拉曼光谱（Raman spectrum）：确认铋烯晶格结构（Eg和A1g峰消失，因瑞利滤光片截止）。
- 原子力显微镜（AFM）：纳米片厚度约9 nm。
- 透射电镜（TEM）：横向尺寸约0.6 μm。

2. 铋烯可饱和吸收体的制备
- 微光纤基底：通过熔锥法制备腰径16 μm、锥区长度1 mm的微光纤。
- 光学沉积法：将铋烯纳米片转移至微光纤锥区，形成SA器件。
- 非线性光学测试：使用1550 nm飞秒激光（脉宽500 fs）测量调制深度（5.6%）、饱和强度（48.2 mW/cm²）和非饱和损耗（62.3%）。

3. 激光器搭建与测试
(1) 激光腔结构：
- 增益介质：4.3 m高掺铒光纤（EDF）。
- 泵浦源：976 nm激光二极管（最大功率350 mW）。
- 腔设计：总净色散-0.35 ps²，通过10:90耦合器输出。
(2) 锁模实验：
- 阈值功率50 mW，稳定锁模功率100–350 mW。
- 利用示波器、自相关仪和光谱分析仪记录脉冲特性。

主要结果

1. 锁模性能
- 脉冲宽度：最短脉宽193 fs（1561 nm中心波长）。
- 光谱特性：3 dB带宽14.4 nm，伴随Kelly边带，符合孤子理论。
- 时域稳定性：重复频率8.85 MHz（信噪比55 dB），8小时内光谱稳定性验证。

2. 对比优势
- 与黑磷（BP）、锑烯（antimonene）等SA相比，铋烯实现了更短的脉宽（较此前铋烯SA结果提升3倍）和更高的输出功率（5.6 mW）。

结论与价值

科学意义
1. 材料创新：首次证明铋烯作为SA在亚200 fs激光中的可行性，拓展了第五主族二维材料的非线性光学应用。
2. 技术突破：通过微光纤集成，克服了铋烯高非饱和损耗的限制，为稳定锁模提供了新思路。
应用前景
- 潜在应用领域包括超快光学信号处理、生物医学成像及雷达系统。

研究亮点

1. 最短脉宽记录：在第五主族材料SA中首次实现亚200 fs孤子脉冲。
   
2. 制备方法优化：声化学剥离结合光学沉积法，平衡了材料均匀性与器件插入损耗。
   
3. 机理解释：基于泡利阻塞（Pauli blocking）模型，阐明了铋烯的宽带可饱和吸收机制。
   

其他价值
- 为二维材料在近红外至中红外波段的非线性器件设计提供了实验基准。