MoS₂/SiO₂复合可饱和吸收体实现亚纳秒锁模Er掺杂光纤激光器

摘要

二维半导体MoS₂因其宽带可饱和吸收和高三阶非线性成为超快光子学有前景材料。本研究制备MoS₂掺杂溶胶-凝胶玻璃，形成MoS₂/SiO₂复合材料。该复合材料表现出3.5%调制深度和20.15 MW cm⁻²可饱和强度，同时保持3.46 J cm⁻²光学损伤阈值——显著高于常规半导体可饱和吸收镜。将复合材料引入环形腔Er掺杂光纤(EDF)激光器，实现两种不同锁模机制：90 mW泵浦功率下传统孤子态输出780 fs脉冲，以及100-600 mW泵浦范围内稳定长脉冲态输出1.21 ps脉冲，最大平均输出功率5.11 mW。结果证明该复合材料作为坚固、高损伤阈值可饱和吸收体用于光纤激光应用的可行性。

引言

基于二维(2D)结构的非线性光学材料支撑现代光电器件。石墨烯已证明作为宽带调制器有效，但近期工作显示过渡金属二硫属化物(TMDs)如MoS₂可提供更优可饱和吸收和更高三阶非线性。MoS₂已集成至635 nm至2950 nm波长的脉冲激光器，实现亚飞秒至数皮秒脉冲宽度，并高重频运行。传统制备方法——机械剥离、液相剥离、CVD、PLD、磁控溅射——各有规模、缺陷密度或热稳健性局限。现有MoS₂可饱和吸收体(SA)通常通过将聚合物嵌入纳米材料夹在光纤套管间或沉积在锥形/D形光纤上，但这些方法要么损伤阈值低，要么封装复杂。为应对这些挑战，我们引入溶胶-凝胶法制备MoS₂/SiO₂复合材料，结合二氧化硅光学相容性与MoS₂固有非线性响应，获得耐用、高损伤阈值SA。

方法

MoS₂/SiO₂复合材料制备

MoS₂纳米片先经液相剥离分散于去离子水：1 mg MoS₂于90 W超声6 h，离心获得稳定溶液。另以四乙氧基硅烷(TEOS)、乙醇和水混合制备溶胶-凝胶前驱体。将MoS₂分散液与TEOS混合物搅拌混合，用HCl酸化维持低pH。水解和聚缩合反应生成MoS₂掺杂二氧化硅溶胶，50℃搅拌5 h防止开裂和团聚。溶胶室温老化48 h，再60℃干燥箱干燥一周，得固态MoS₂/SiO₂玻璃。

光纤激光器腔体

环形腔EDF激光器(总长13.3 m)包含1.2 m Er掺杂光纤作为增益介质、光纤耦合激光二极管(最大650 mW)作为泵浦源、波分复用器合并泵浦和信号。偏振无关隔离器保证单向运行，偏振控制器调节腔内状态。MoS₂/SiO₂复合材料夹在两光纤套管间，10/90耦合器输出。腔体优化以支持传统孤子和长脉冲锁模机制。

结果与讨论

复合材料表征

光学检查显示棕色复合材料指示MoS₂掺入。SEM图像显示MoS₂纳米片在二氧化硅基质中均匀分布。能谱确认Mo、S、Si存在。平衡双探测器在1550 nm、500 fs、23 MHz激光下测得调制深度3.5%、可饱和强度20.15 MW cm⁻²。飞秒Ti:蓝宝石激光器(800 nm、250 fs)测试损伤阈值达3.46 J cm⁻²——远高于典型SESAMs(≈0.5 mJ cm⁻²)。

锁模光纤激光器性能

90 mW泵浦功率下，腔体呈现传统孤子锁模，1557 nm中心处3 dB带宽6 nm。射频谱显示基频重复率15.76 MHz，信噪比65 dB。自相关显示1.21 ps半高全宽脉冲，对应780 fs sech²脉冲。增至100 mW泵浦破坏孤子机制，指示窄工作窗口。

调节偏振控制器后，第二稳定锁模态出现，持续100-600 mW。光谱随泵浦功率展宽，600 mW时保持4 nm 3 dB宽度。脉冲宽度延伸至1.97 ps半高全宽(1.21 ps sech²)。输出功率随泵浦线性增长，600 mW达5.11 mW。这证明复合材料能在宽功率范围支持亚皮秒和皮秒脉冲。

结论

我们通过低温溶胶-凝胶工艺成功制备MoS₂/SiO₂复合材料，实现3.5%调制深度和20.15 MW cm⁻²可饱和强度。集成至EDF激光器，该复合材料在90 mW输出780 fs脉冲，100-600 mW范围输出1.21 ps脉冲且平均功率5.11 mW。这些结果确认复合材料高损伤阈值、易集成和通用性，定位其为下一代超快光子器件有前景候选者。

缩略语

2D:

二维

CVD:

化学气相沉积

EDF:

Er掺杂光纤

EDS:

能量色散X射线光谱仪

FWHM:

半高全宽

Iₛₐₜ:

可饱和强度

LD:

激光二极管

LPE:

液相剥离

ME:

机械剥离

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:

可饱和吸收体

SESAM:

半导体可饱和吸收镜

SNR:

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