研究背景

被动锁模光纤激光器具有结构简单紧凑，光束质量高，成本效益高，兼容性好等优点，广泛应用于光纤通信、材料加工和医学手术等不同领域。用于实现光纤激光器被动锁模的可饱和吸收器通常是由半导体量子阱材料构成的，也被称为半导体可饱和吸收镜。但是，这类半导体量子阱材料具有许多缺点，例如制造工艺复杂且昂贵、热损伤阈值低等。近年来，不同的低维纳米材料由于其固有的量子限制效应和较大的光学非线性，获得了优异的锁模性能。然而，基于纳米材料的可饱和吸收器件在进入商业应用之前还有很长的路要走，因为它们大多具有较低的重复性，并且在大规模制备方面仍然面临很多困难。等离子体半导体纳米晶（NCs）在局域表面等离子体共振（LSPR）频率范围内具有非线性光学增强效应，在超快光子学中的可饱和吸收器领域显示出巨大的应用潜力。此前，鲍桥梁教授课题组发现，自掺杂胶体磷化亚铜（Cu3-xP）纳米晶体在1550 nm处具有超快的动力学响应（~130 fs）和较大的光学非线性（光调制深度>18%），并实现了高能量Q开关脉冲输出。但是这种等离子体半导体2D纳米晶体相对于其他纳米材料的优势，特别是可重复性，以及是否适合可扩展的工业生产，尚未得到充分研究。

       在本论文中，研究人员采用“一步法”合成的Cu3-xP纳米晶体，然后通过drop-cast工艺在D-形光纤表面形成纳米片，带有Cu3-xP纳米片的D-形光纤作为可饱和吸收器件与腔内激光发生强烈的倏逝场相互作用，在1560 nm产生高质量的锁模脉冲和Q开关脉冲。锁模光谱的3 dB带宽高达7.3 nm，相应的脉冲宽度为423 fs。调Q脉冲的重复率高于80 kHz，最大脉冲能量超过120 µJ。此外，作者还实现了饱和吸收器件的小批量制备。同一批次制备的20余个器件全部可以产生稳定且一致性较好的锁模和Q开关脉冲，这表明2D纳米晶体具有良好的可重复性，可用于大规模制备可饱和吸收器件。该项工作表明，基于等离子体纳米晶体的饱和吸收体材料，在超短或高功率脉冲生成以及其他非线性光子应用方面具有非常好的前景。

内容简介

本文展示了蒙纳士大学鲍桥梁教授课题组基于等离子体半导体材料磷化亚铜纳米片的飞秒锁模光纤激光器技术：基于磷化亚铜纳米晶体2D材料，小批量制备了高性能的可饱和吸收器件并用于构建飞秒锁模脉冲激光器，锁模性能优异，脉冲输出重复性好，稳定性高。

图文导读

图1. Cu3-xP纳米晶体的表面形貌和材料表征。（a）Cu3-xP纳米晶体的扫描电镜照片（比例尺：100 nm）和单个Cu3-xP纳米片的透射电镜照片（插图比例尺：10 nm）。（b）原子力显微镜照片（比例尺：1 µm）。（c）Cu3-xP纳米晶体的光吸收光谱。（d）XRD图谱证明Cu3-xP纳米片的六方型结构。（e）TOP前驱体和Cu3-xP纳米晶体的1H 核磁共振光谱。（f）Cu3-xP纳米晶体的示意图。（g）Cu3-xP纳米晶体聚合物的光学图像。（h）对应的聚合物荧光成像照片（比例尺：1 µm）。（i）Cu3-xP纳米晶体的荧光光谱

图2. 高性能锁模脉冲输出结果。（a）典型的锁模输出光谱，光谱带宽7.3 nm。（b）锁模脉冲序列。（c）自相关脉冲，脉冲宽度423 fs。（d）射频光谱，锁模脉冲具有高信噪比。（e）长期稳定性测试，激光器连续工作6小时，输出光谱保持不变

图3. Q开关脉冲输出结果。（a）调Q光谱。（b）调Q脉冲序列。（c）单个Q开关脉冲，脉冲宽度1.78 μm。（d）基频的射频光谱（插图：宽带RF光谱）。（e）脉冲重复频率和持续时间与泵浦功率的关系。（f）输出功率和单脉冲能量与泵浦功率的关系

图4. 同一批次制备的磷化亚铜纳米晶体锁模和Q开关器件，均能稳定工作且性能指标相似。（a）锁模输出光谱带宽在7 nm左右。调Q输出光谱带宽在1.2 nm左右.（b）锁模脉冲工作波长约1569 nm，调Q脉冲工作波长约1562 nm

消息来源：光电子学前沿