基于拓扑绝缘体Bi₂Se₃/PVA薄膜的多波长超快掺铒光纤激光器研究

作者及发表信息

本研究成果由来自哈尔滨工业大学（深圳）电子与信息工程系的Bo Guo、Yong Yao(通讯作者)、Yan-Fu Yang、Yi-Jun Yuan、Rui-Lai Wang，材料科学与工程系的Shu-Guang Wang、Zhong-Hua Ren，以及郑州大学材料科学与工程学院的Bo Yan共同完成。该研究发表于Journal of Applied Physics期刊第117卷第6期（2015年），文章标题为”Topological insulator: Bi₂Se₃/polyvinyl alcohol film-assisted multi-wavelength ultrafast erbium-doped fiber laser”，DOI号为10.¹⁰⁶³⁄₁.4907872。

研究背景与目的

在多波长超快光纤激光器研究领域，如何实现稳定高效的脉冲输出一直是重要挑战。传统实现方法主要分为主动和被动两种方案：主动方案需要外置调制器，系统复杂且成本高；被动方案如非线性偏振旋转、半导体可饱和吸收镜(SESAM)、碳纳米管、石墨烯等，虽简化了结构但仍存在效率不足或稳定性欠佳等问题。近年来，具有独特电子结构的拓扑绝缘体(Topological Insulators, TIs)因其优异的宽带可饱和吸收特性和巨大的三阶非线性光学效应，在光子学领域展现出巨大应用潜力。

本研究创新性地将Bi₂Se₃/PVA（聚乙烯醇）复合薄膜同时作为可饱和吸收体(Saturable Absorber, SA)和高非线性介质，首次实现了掺铒光纤激光器(Erbium-Doped Fiber Laser, EDFL)中稳定可调的单/双/三/四波长锁模脉冲输出。该工作旨在开发一种结构简单、成本低廉且性能稳定的多波长超快光纤激光系统，为光通信、生物医学研究和雷达系统等应用提供新型光源解决方案。

研究方法与技术路线

1. Bi₂Se₃/PVA薄膜制备与表征

研究团队采用液相剥离/旋涂法合成了高质量的Bi₂Se₃/PVA复合薄膜。通过α-step轮廓仪测得薄膜厚度约25μm，扫描电子显微镜(SEM)显示其具有准二维层状结构。拉曼光谱分析证实，即使分散在PVA基质中，Bi₂Se₃仍能保持完好的晶体结构。采用开放式Z扫描技术测得该可饱和吸收体的关键参数：饱和强度为25 mW/cm²，调制深度达3.8%。薄膜被切割成1.2×1.2 mm²尺寸夹于光纤连接器之间，形成光纤兼容的锁模器件，插入损耗为2.9 dB。

2. 激光器系统构建

实验采用环形腔结构设计，核心部件包括：4.5米高掺杂铒光纤(EDF，色散参数-16.3 ps/(km·nm))、20米单模光纤(SMF，色散参数+18 ps/(km·nm))，净腔色散为-0.37 ps²。泵浦源为976 nm激光二极管(最大功率500 mW)，通过980/1550波长分复用器(WDM)耦合入腔。系统还包含10:90输出耦合器(OC)、偏振无关隔离器(ISO)和偏振控制器(PC)，用于保证单向运行和调节偏振态。输出特性通过功率计、光学频谱分析仪(分辨率0.01 nm)和高速光电探测器结合示波器进行监测。

3. 多波长锁模实现机制

通过精确调节泵浦功率和偏振状态，研究团队观察到：
- 单波长锁模：中心波长约1565 nm，3 dB带宽0.12 nm
- 双波长锁模：波长间隔0.8 nm，功率均衡度>90%
- 三波长锁模：光谱稳定性良好，波动<0.05 nm
- 四波长锁模：脉冲宽度约22 ps（根据孤子理论估算），基频重复率8.83 MHz

独特的实现机制包含两方面协同作用：(1) Bi₂Se₃薄膜作为可饱和吸收体产生的锁模效应；(2) 微米级薄膜（区别于纳米级微光纤）引入的高非线性效应，结合由偏振控制器和单模光纤双折射形成的光谱滤波效应，有效抑制了掺铒光纤中的模式竞争，使多波长振荡得以稳定。

关键实验结果

四波长锁模性能表征

在85.5 mW泵浦功率下，四波长锁模表现出优异特性：
1. 光谱特性：如图5(a)所示，四个波长间隔均匀(0.8 nm)，单通道3 dB带宽0.12 nm。由于光谱滤波效应，未观察到明显的Kelly边带。
2. 时域特性：图5(b)显示脉冲序列周期113.4 ns，与腔往返时间精确吻合。单脉冲呈现对称高斯型分布（图5©），半高全宽(FWHM)1.567 ns。基于孤子理论计算实际脉宽约22 ps（考虑频率啁啾影响可能更长）。
3. 稳定性验证：射频(RF)频谱（图5(d)）显示基频峰信噪比达55 dB，1 GHz宽范围测量（图6）仅出现轻微频谱调制，证实运行稳定。
4. 功率特性：如图7所示，系统斜率效率6.33%，在155 mW泵浦时获得最大输出功率9.7 mW，对应单脉冲能量1.1 nJ，峰值功率50 W。薄膜损伤阈值约200 mw。

研究结论与价值

该研究成功证明了Bi₂Se₃/PVA薄膜作为双功能元件（可饱和吸收体+高非线性介质）在多波长超快光纤激光器中的独特价值。通过简单的偏振调节即可实现单至四波长锁模的灵活切换，四波长状态下能稳定输出22 ps脉冲，基频重复率8.83 MHz，信噪比优于55 dB。相比基于石墨烯或光纤锥的方案，这种全光纤兼容的薄膜器件具有结构简单、成本低廉、损伤阈值高等优势。

科学价值

1. 材料应用创新：首次将拓扑绝缘体同时用于锁模和非线性调控，拓展了二维材料在光子学中的应用维度。
   
2. 物理机制阐释：揭示了微米级TI薄膜通过增强非线性与腔内双折射滤波协同稳定多波长振荡的新机制。
   
3. 技术方案优化：相比需要精确制备的微光纤器件，薄膜方案大幅降低了工艺复杂度。

应用前景

这种稳定、紧凑的多波长超快光源在以下领域具有应用潜力：
- 密集波分复用系统：多波长通道可提升通信容量
- 生物医学成像：不同波长适用于多模态组织探测
- 光谱学检测：宽带脉冲有利于物质成分分析
- 雷达系统：多波长可增强抗干扰能力

研究亮点与创新

1. 双功能材料设计：首次发现Bi₂Se₃薄膜兼具优异的锁模能力（调制深度3.8%）与显著的非线性效应（n₂≈10⁻¹³ cm²/W量级），实现”一件双效”。
   
2. 多波长灵活调控：仅通过偏振调节即可实现1-4个波长通道的切换，波长间隔精确可控（0.8 nm）。
   
3. 稳定性突破：在无外加滤波器的简单线性腔中，四波长锁模仍能保持>55 dB的射频信噪比，解决了传统方案中模式竞争导致的稳定性问题。
   
4. 成本优势：相比SESAM或石墨烯转移技术，液相剥离/旋涂法制备的PVA复合薄膜成本降低90%以上。

后续研究方向

作者建议未来可通过以下方向进一步提升性能：
(1) 优化腔设计（如引入高Q值光梳滤波器）
(2) 改进薄膜质量（如控制Bi₂Se₃纳米片层数）
(3) 探索其他二维材料（如过渡金属硫化物）的多波长生成能力
(4) 研究谐波锁模状态下的多波长特性

这项工作不仅为多波长超快光源提供了新方案，也为拓扑绝缘体在非线性光子学中的应用开辟了新途径，相关成果已获得中国国家自然科学基金（612050346）和深圳市科技计划项目支持。