使用 MoS2/SiO2 可饱和吸收体的锁模掺铒光纤激光器

介绍

非线性光学材料，尤其是那些具有二维结构的材料，为光电子学的发展奠定了基础 [1,2,3,4,5]。石墨烯作为用于各种脉冲激光器的光调制器已得到深入研究，并获得了优异的结果 [6, 7]。最近，许多新型二维材料如拓扑绝缘体 [8, 9]、过渡金属二硫属化物 (TMD) [10,11,12,13,14]、黑磷 [15]、MXene [16]、铋 [17]、金属有机框架 [18] 和钙钛矿 [19] 已经证明了宽带光学非线性。此外，这些二维材料被认为是下一代有前途的光调制器材料 [20, 21]。 MoS2 是具有代表性的 TMD 半导体，其晶体层由 Mo 和 S 的三个交替六边形平面组成 [22]。根据过渡金属原子的配位和氧化态，MoS2 可以是半导体性的，也可以是金属性的。对宽带可饱和吸收和高三阶非线性磁化率进行了深入研究 [23,24,25]。最近的工作表明，通过使用开放孔径 Z 扫描技术获得超快非线性光学特性，MoS2 具有比石墨烯更好的饱和吸收响应 [26, 27]。基于二硫化钼材料，相应的光调制器装置已成功用于脉冲激光器。到目前为止，已经实现了635 nm、980 nm、1030 nm、1560 nm、1925 nm和2950 nm不同中心波长的MoS2脉冲光纤激光器[28,29,30,31,32,333]也已经报道了基于 MoS2 发射脉冲的超快光纤激光器，其脉冲持续时间从数百飞秒到几皮秒不等 [34, 35]。此外，还实现了含二硫化钼的高重复频率脉冲光纤激光器[36, 37]。

通常，二硫化钼纳米材料通过机械剥离（ME）法[38]、液相剥离（LPE）法[39]、水热法[40、41]、化学气相沉积（CVD）法[42]、脉冲激光沉积法制备(PLD) 方法 [43] 和磁控溅射沉积 (MSD) 方法 [44]。每种方法都有其优点和缺点。例如，ME 方法是第一个报道的用于获得层状结构 MoS2 的技术。但这种方法存在可扩展性差、良率低的缺点，阻碍了大规模应用。为了克服 ME 方法的缺陷，CVD 为单层和少层 MoS2 的生产提供了一种可控的方法。而对于 MoS2 生长，通常需要对基材进行预处理。 PLD和MSD应该是直接生长不同尺寸和面积但具有许多晶体缺陷的高质量MoS2薄膜的理想方法。已报道的将 MoS2 掺入光纤激光器的技术主要分为两种方法：（1）通过将 MoS2 纳米材料混合到聚合物薄膜中，将基于 MoS2 的 SAs 直接夹在两个光纤连接器之间；（2）将 MoS2 纳米材料沉积在锥形光纤上或 D 形光纤通过使用倏逝波相互作用。夹心式二硫化钼光调制器具有灵活方便的优点。它还具有低热损伤的弱点。渐逝波法可以提高SAs的损伤阈值，但存在易碎的缺点。在实际应用中，需要封装锥形光纤或D形光纤基光调制器，这使得制造过程非常复杂。因此，建立精细可控的MoS2纳米材料还需要更深入的探索，改进有效的制备方法仍然是一个长期的目标。

在本文中，我们展示了一种通过在溶胶-凝胶玻璃中掺杂 MoS2 纳米材料来制备 MoS2/SiO2 复合材料的新方法。众所周知，溶胶-凝胶法是一种成熟的低温制备玻璃方法[45, 46]。在溶胶-凝胶玻璃中掺杂MoS2纳米材料不仅具有良好的抗氧化能力，而且可以有效提高机械稳定性。此外，溶胶-凝胶玻璃与光纤具有良好的折射率匹配。因此，这类复合材料表现出较高的环境破坏阈值。通过将所提出的 MoS2/SiO2 加入 EDF 激光腔，我们实现了两种锁模操作。在 90 mW 的泵浦功率下，获得了传统的孤子锁模操作。脉冲持续时间为 780 fs。在100-600 mW的泵功率范围内，我们还实现了另一种稳定的锁模操作。脉宽为1.21 ps，最大输出功率为5.11 mW。结果表明，MoS2/SiO2复合材料在锁模光纤激光器应用中具有巨大潜力。

方法

MoS2/SiO2复合材料制备流程

MoS2/SiO2复合材料采用溶胶-凝胶法制备。第一步，采用液相剥离法制备二硫化钼分散体。将一毫克二硫化钼纳米片放入 10 ml 去离子水中。然后将MoS2超声分散6 h，超声波清洗机功率设为90 W，离心后得到稳定的MoS2溶液。另一方面，将四乙氧基硅烷 (TEOS)、乙醇和去离子水混合以制备溶胶-凝胶玻璃。在下一步中，将 MoS2 溶液和 TEOS 混合物混合。然后，搅拌 MoS2 和 TEOS 混合物以形成 MoS2 掺杂的玻璃。此时，在得到的混合物中加入盐酸，将PH控制在较低的值。通过水解和缩聚过程，获得了掺杂二硫化钼的硅溶胶。水解和缩聚过程可描述为以下反应：

在水解过程中，TEOS 的醇盐基团被羟基取代。在缩聚过程中，Si-OH 基团产生 Si-O-Si 网络。为了避免溶胶-凝胶玻璃破裂和二硫化钼团聚，将二硫化钼掺杂的硅溶胶在 50 °C 搅拌 5 h。然后，将掺杂二硫化钼的硅溶胶放入塑料电池中，并在室温下老化 48 小时。最后一步，将硅溶胶放入干燥箱中，在 60 °C 下放置 1 周，形成固体二硫化钼掺杂玻璃。

光纤激光腔

采用 MoS2/SiO2 复合材料的 EDF 激光器布局如图 1 所示，采用环形激光器腔。泵浦源为光纤耦合激光二极管（LD），最大输出功率为650 mW，通过波分复用器（WDM）将泵浦激光送入激光腔。采用 1.2 米长的 EDF 作为增益介质。偏振无关隔离器 (PI-ISO) 用于确保环形激光器腔内的单向操作。偏振控制器 (PC) 用于实现不同的偏振状态。 MoS2/SiO2 复合材料夹在两个光纤套圈之间。 10/90 光耦合器用于激光腔输出端口。激光振荡器腔的总长度约为13.3 m。

EDF锁模光纤激光器实验装置

结果与讨论

MoS2/SiO2 复合材料的表征

如图 2a 所示，制备的 MoS2/SiO2 复合材料呈棕色，表明 MoS2 纳米片已掺入石英玻璃中。图 2b 显示了 SEM 图像。 MoS2/SiO2 复合材料的特征还在于能量色散 X 射线光谱仪 (EDS)。图 3 显示了 EDS 光谱，表明制备的 MoS2/SiO2 玻璃含有三种元素（Mo、S 和 Si）。通过平衡双检测器测量系统研究了 MoS2/SiO2 玻璃的非线性光学特性。脉冲激光源为国产EDF光纤激光器，中心波长1550 nm，脉宽500 fs，重复频率23 MHz。从图 4 中可以看出，调制深度 (ΔT) 和饱和强度 (Isat) 测量为 3.5% 和 20.15 MW/cm ² ， 分别。以飞秒钛蓝宝石激光器（中心波长800 nm，脉冲宽度250 fs，重复频率100 kHz）为光源，研究MoS2/SiO2复合材料的热损伤。当测试功率调整到3.46 J/cm ² 时，MoS2/SiO2出现光学损伤 ，远高于半导体可饱和吸收镜 (SESAM) (500 μJ/cm ² ).

一 数码照片。 b SEM图像

EDS光谱

MoS2/SiO2复合材料的非线性光学特性

MoS2/SiO2 锁模光纤激光器

常规孤子锁模实验结果如图 5 所示。在 90 mW 的泵浦功率下观察到锁模操作伴随滞后现象 [47]。通过将泵浦功率调低至 75 mW，锁模状态仍保持不变。泵浦功率为 90 mW 时锁模脉冲的光谱如图 5a 所示。中心波长位于 1557 nm，3-dB 光谱宽度为 6 nm。可以清楚地看到，凯利边带对称出现在光谱两侧，表明光纤激光器工作在常规孤子锁模状态。图 5b 显示了具有均匀强度的脉冲序列的性能。两个脉冲的间隔为 64.2 ns，对应于腔往返时间。为了进一步研究孤子脉冲的稳定性，测量了射频频谱。图 5c 显示基本重复率为 15.76 MHz，信噪比 (SNR) 为 65 dB。脉冲持续时间由自相关器测量。图 5d 显示了自相关曲线。测得的半峰全宽 (FWHM) 为 1.21 ps，表明脉冲持续时间为 780 fs，如果 Sech ² 适合使用。我们只是将泵浦功率提高到100 mW并保持PC不变，激光器进入多脉冲工作锁模状态，呈现不稳定和波动，这意味着锁模工作在窄泵浦范围内。

常规孤子实验结果：a 光谱，b 脉冲串，c 射频频谱，d 自相关迹

在实验过程中，我们实现了另一种锁模状态。通过将泵功率调整为 100 mW 和 PC 旋转，我们获得了这种锁模操作状态。图 6a 记录了相应的光谱。随着泵浦功率的增加，光谱越来越宽。逐渐将泵浦功率增加到 600 mW，这种锁模操作可以一直保持。观察到光谱中出现的边强度相对较小。在泵浦功率为 600 mW 时，中心波长为 1557 nm，3-dB 光谱宽度为 4 nm。锁模状态的示波器轨迹如图 6b 所示；两个脉冲的间隔为64.2 ns，验证了光纤激光器工作在基本锁模状态。自相关轨迹如图 6(c) 所示，半峰全宽 (FWHM) 为 1.97 ps，这意味着如果 Sech ² 脉冲持续时间为 1.21 ps 适合使用。平均输出功率特性如图 6d 所示。随着泵浦功率的增加，平均输出功率几乎呈线性增加。在泵浦功率为 600 mW 时，测得的最大输出功率为 5.11 mW。

实验结果：a 光谱，b 脉冲串，c 自相关轨迹，d 输出功率

结论

总之，我们报道了通过将 MoS2 纳米材料掺入溶胶-凝胶玻璃中制备的 MoS2/SiO2 复合材料。 EDS 光谱确定了制备的 MoS2/SiO2 玻璃的主要成分。测得MoS2/SiO2复合材料的调制深度和饱和强度分别为3.5%和20.15 MW/cm ² ， 分别。进一步演示了具有 MoS2/SiO2 的锁模光纤激光器。脉冲持续时间为 780 fs 的传统孤子锁模状态是在 90 mW 的泵浦功率下实现的。在100-600 mW的泵浦功率范围内，呈现出另一种稳定的锁模状态。脉宽为1.21 ps，最大输出功率为5.11 mW。结果表明，MoS2/SiO2复合材料在超快光子学方面具有良好的应用前景，溶胶-凝胶法为制备TMD光学器件提供了一种新途径。

缩写

二维：

二维

CVD：

化学气相沉积

EDF：

掺铒光纤

EDS：

能量色散X射线光谱仪

FWHM：

半高全宽

Isat :

饱和强度

LD：

激光二极管

LPE：

液相剥离

我：

机械去角质

MSD：

磁控溅射沉积

PC：

偏振控制器

PI-ISO：

偏振无关隔离器

PLD：

脉冲激光沉积

SA：

饱和吸收器

SESAM：

半导体可饱和吸收镜

信噪比：

信噪比

TEOS：

四乙氧基硅烷

TMD：

过渡金属二硫属化物

WDM：

波分复用器

ΔT：

调制深度