硫化鉬鎖模激光器研究進(jìn)展

孟路平,徐 慧,鄒淑珍,王令武,史 萌,蘇富芳,張 玲

(1.曲阜師范大學(xué)物理工程學(xué)院,山東 曲阜 273165;2. 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所全固態(tài)光源實驗室,北京 100083)

1 引 言

隨著超快激光探測應(yīng)用的興起以及對高峰值功率的追求,人們對激光光束的脈寬提出了更高的要求。鎖模激光器可以產(chǎn)生皮秒或飛秒級的超短脈沖,在生物醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)科學(xué)、能源及國防等領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用[1-6],尤其在柔性電路板制造、晶圓切割、心血管支架及太陽能電池制造等激光精細(xì)加工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。被動鎖模激光技術(shù)是獲得超快激光的有效方法。在被動鎖模激光器的研究中,鎖模的關(guān)鍵元件—可飽和吸收體的研究至關(guān)重要[7-9]。半導(dǎo)體可飽和吸收鏡是應(yīng)用成熟的鎖模元件。但是半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的帶寬窄,并且其制備需要昂貴的外延生長技術(shù)和復(fù)雜的后期處理過程,以減少恢復(fù)時間[10]。因此,開發(fā)新穎、具有更好光學(xué)性能的鎖模材料,對被動鎖模激光器的研究具有重要的研究意義。

近年來,在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域引起普遍關(guān)注的新型二維材料如硫化鉬作為新型可飽和吸收體的研究備受關(guān)注[11-15]。硫化鉬屬于過渡金屬硫化物的一種,具有二維的層狀結(jié)構(gòu)。單層的MoS2是兩層硫原子夾著一層鉬原子的“三明治”夾心結(jié)構(gòu),層與層之間靠范德華力結(jié)合在一起[16-19]。塊狀MoS2材料是間接帶隙材料,帶隙寬度1.29 eV(961nm),單層MoS2材料是直接帶隙材料,帶隙寬度～1.80 eV(689nm),MoS2材料中引入適當(dāng)?shù)娜毕?帶隙寬度范圍可達(dá)到1.8～0.8 eV(1550nm)。因此硫化鉬可飽和吸收體具有從可見光到近紅外波段的寬帶可飽和吸收特性。

2 硫化鉬鎖模激光器研究進(jìn)展

基于硫化鉬可飽和吸收體的鎖模激光器主要包括光纖鎖模激光器和固體鎖模激光器[20]。

2.1 硫化鉬光纖鎖模激光器

光纖激光器的單程增益較高,可以容忍較大的非飽和損耗,因此關(guān)于硫化鉬光纖鎖模激光器的報導(dǎo)較多。

韓國延世大學(xué)的 R. Khazaeizhad 等用化學(xué)氣相沉積法(CVD方法)制備的多層硫化鉬可飽和吸收體在摻鉺光纖激光器中實現(xiàn)了637 fs的鎖模激光運轉(zhuǎn)[21]。實驗裝置如圖1所示。實驗中對硫化鉬吸收體鎖模的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測試,其調(diào)制深度為2.5%。在正色散域獲得了穩(wěn)定的耗散孤子脈沖輸出,輸出的中心波長是1563 nm,光譜帶寬是23.2 nm,重復(fù)頻率26.02 MHz,脈沖寬度為4.98 ps；通過調(diào)整腔內(nèi)的總色散,在反常色散域同樣獲得了孤子脈沖,中心波長1568 nm,光譜帶寬12.38 nm,重復(fù)頻率33.48 MHz,脈寬637 fs。

圖1 硫化鉬摻鉺光纖激光器實驗裝置Fig.1 Experimental setup of MoS2 erbium-doped fiber laser

2017年,巴西麥肯錫教會大學(xué)的E. J. A IUB等采用機(jī)械剝離方法(MHE)制備的硫化鉬可飽和吸收體放置在D形光纖上,在摻鉺光纖激光器中獲得了波長1560 nm、帶寬20.5 nm、重復(fù)頻率14.53 MHz的窄脈寬200 fs光纖鎖模激光輸出[22]。硫化鉬可飽和吸收體的調(diào)制深度是0.2%,非飽和吸收99%。圖2為鎖模激光的譜線寬度及脈沖寬度圖。

圖2 鎖模激光的譜線寬度及脈沖寬度Fig.2 Spectral width and pulse width of mode-locked laser

2014年，深圳大學(xué)的 H. Zhang 等用 MoS2水熱剝離方法(HTE方法)制備的硫化鉬可飽和吸收體,如圖3所示,在摻鐿光纖激光器中通過將MoS2可飽和吸收體插入環(huán)形腔,獲得了中心波長1054.3 nm 脈寬800 ps 光譜寬度2.7 nm的光纖鎖模激光輸出[23]。使用開孔Z掃描和平衡檢測測量技術(shù)來研究幾層MoS2的寬帶可飽和吸收特性。對MoS2可飽和吸收體的調(diào)制深度和飽和通量進(jìn)行測量。實驗證明硫化鉬可飽和吸收體在從可見光到近紅外波段有寬的可飽和吸收特性。

圖3 基于硫化鉬的摻鐿光纖激光器實驗裝置Fig.3 Experimental setup of ytterbium-doped fiber laser based on MoS2

電子科技大學(xué)的 H. D. Xia等采用CVD法制備了多層高質(zhì)量硫化鉬可飽和吸收體,在摻鉺光纖激光器中實現(xiàn)了波長1568.9 nm、光譜寬度2.6 nm、脈沖寬度1.28 ps、重復(fù)頻率8.288 MHz的孤子鎖模激光輸出[24]。MoS2的調(diào)制深度為35.4%,非飽和損耗為34.1%,飽和通量為0.34 MW/cm2。鎖模激光的光譜和脈寬如圖4所示。

圖4 光纖鎖模激光的譜線寬度及脈沖寬度Fig.4 Spectral width and pulse width of fiber mode-locked laser

2015年，上海交通大學(xué)的 Z. Tian 等用液相剝離法(LPE法)制備多層硫化鉬可飽和吸收體,在摻銩光纖激光器線性腔中獲得輸出功率150 mW波長2 μm的光纖鎖模激光[25]。鎖模激光的脈寬為 843 ps,重復(fù)頻率為9.67 MHz,光譜寬度為17.3 nm,單脈沖能量為15.5 nJ。MoS2吸收體的調(diào)制深度為13.6%,飽和通量為23.1 MW/cm2。

圖5 基于硫化鉬吸收體的線性腔摻銩光纖激光器Fig.5 Experimental setup of thulium-doped fiber laser based on MoS2

2016年,中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所的Y. G. Wang 研究組報導(dǎo)了基于新型硫化鉬吸收體的鉺摻雜的光纖鎖模激光器。MoS2薄膜的制備是通過將MoS2、水、乙醇的混合物沉積在D型光纖上。對MoS2吸收體的鎖模參數(shù)進(jìn)行測量,非飽和損耗是13.3%,飽和通量是110 MW/cm2,調(diào)制深度是3.4%。實驗獲得了光譜寬度11.7 nm、脈沖寬度116 ps、重復(fù)頻率7.45 MHz、輸出功率6.91 mW的耗散孤子鎖模脈沖[26]。

圖6 示波器上鎖模激光的脈沖序列Fig.6 The pulse train on oscilloscope of mode-locked laser

華南師范大學(xué)的 H. Liu 等用基于聚乙烯醇的硫化鉬可飽和吸收體,在摻鉺光纖環(huán)形激光器中獲得了脈沖寬度710 fs,中心波長1569.5 nm 重復(fù)頻率12.09 MHz 摻鉺光纖鎖模激光。通過調(diào)節(jié)腔的色散,獲得了脈沖寬度710 fs～1.46 ps的鎖模脈沖[27]。MoS2吸收體的飽和通量為34 MW/cm2,調(diào)制深度為4.3%。

圖7 硫化鉬的非線性可飽和吸收曲線Fig.7 Nonlinear saturable absorption curve of MoS2 saturable absorber

2.2 硫化鉬固體鎖模激光器

2016年,山東大學(xué)的C. Feng等用真空過濾方法制備的硫化鉬可飽和吸收體,在 Nd3+∶YVO4晶體中實現(xiàn)了波長1064.2 nm、重復(fù)頻率 88.3 MHz 和脈沖寬度 12.7 ps的鎖模激光運轉(zhuǎn)[28]。實驗采用了W型諧振腔。在泵浦功率為 2.1 W時獲得的最大輸出功率為 89 mW,其單脈沖能量和峰值功率分別為 1 nJ和83.3 W。MoS2吸收體的調(diào)制深度測量為7%,飽和通量為847 nJ/m2。

圖8 基于硫化鉬的固體鎖模實驗裝置圖Fig.8 Experimental setup of solid-state mode-locked laser based on MoS2

圖9 鎖模激光的輸出功率圖Fig.9 The output power of mode-locked laser

2017年,中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的W. F. Zhao等用CVD方法制備了單層硫化鉬可飽和吸收體,其調(diào)制深度為2%,非飽和損耗為5%,1064 nm波段的激光透過率為92.9%。在Nd∶YVO4激光器中實現(xiàn)了重復(fù)頻率79.5 MHz、單脈沖能量3.7 nJ、輸出功率為295 mW的固體鎖模激光輸出[29]。實驗結(jié)果表明由于該材料具有大尺寸、高透過率、低的非飽和損耗和高的損傷閾值,非常適合應(yīng)用于固體鎖模激光器。輸出的鎖模脈沖波形如圖10所示。

(a)

(b)圖10 基于硫化鉬吸收體的固體鎖模激光脈沖序列Fig.10 The pulse train of solid-state mode-locked laser based on MoS2

3 硫化鉬激光器的主要性能

表1是基于硫化鉬可飽和吸收體的鎖模激光器性能指標(biāo)。從表1可以看到:(1)硫化鉬可飽和吸收體的制備方法主要包括CVD、THE、LPE和真空過濾方法等,實驗中一般采用的是透射型的硫化鉬吸收體；(2)鎖模激光脈沖寬度從皮秒到飛秒,工作波長包括1 μm、1.5 μm和2 μm；(3)基于硫化鉬的光纖鎖模激光器主要是Er摻雜、Yb摻雜、Tm摻雜等,諧振腔包括環(huán)形腔和線性腔,由于光纖激光器非線性效應(yīng)的影響,光纖鎖模激光器的輸出功率一般都比較低；(4)固體鎖模激光器一般采用的是多鏡折疊腔結(jié)構(gòu)。

表1 基于硫化鉬可飽和吸收體的鎖模 激光器性能指標(biāo)Tab.1 The performance parameters of mode-locked laser based on MoS2 saturable absorber

4 結(jié) 論

綜上所述,硫化鉬是一種比較有前景的可飽和吸收體,在被動鎖模激光領(lǐng)域具有重要的意義。因此,完善現(xiàn)有制備工藝、探索新的制備方法,實現(xiàn)性能可控、高質(zhì)量、高損傷閾值硫化鉬的制備,從而實現(xiàn)基于硫化鉬的高功率被動鎖模激光運轉(zhuǎn)具有重要的意義。對硫化鉬材料進(jìn)行全面而深刻的超快非線性光子學(xué)性質(zhì)研究是光子學(xué)領(lǐng)域里不可或缺的重要環(huán)節(jié),是光子信息器件和技術(shù)發(fā)展的原動力之一。