基于二维三氧化钼等离子体纳米结构的光学非线性和锁模光纤激光器

锁模光纤激光器由于在光通信、光纤传感、生物医学研究、激光雷达和非线性光学等许多领域有着十分重要的应用而成为近年的一个研究热点。可饱和吸收体是被动锁模光纤激光器的核心器件之一。目前常采用半导体可饱和吸收镜作为可饱和吸收体。不过,它需要输出透镜将泵浦光耦合进光纤中,使得光纤激光器的结构变得复杂且腔内损耗较大。因此亟需探索新型的可饱和吸收体。近年来,石墨烯、拓扑绝缘体和过渡金属硫族化合物等二维材料由于具有巨大的非线性折射率、高的调制深度、低的饱和吸收阈值而引起物理、化学和材料领域研究人员的极大关注。

浙江大学光电科学与工程学院邱建荣教授课题组探究了二维三氧化钼纳米片的非线性效应与超快载流子响应特性,并在此基础上成功实现了1.0 μm波段的锁模光纤激光器。利用液相剥离法成功制备得到了二维三氧化钼纳米片,透射电镜和原子力显微镜结果表明所得纳米片的尺寸和厚度分布均匀。置于可见光光源(氙灯)下进行一定时间的辐照后,可见-近红外吸收光谱表明二维三氧化钼纳米片表现出等离子体共振吸收,而纳米片的形貌与结构并未发生明显变化。开孔Z扫描测试证明初始以及具有等离子体共振吸收特性的二维三氧化钼纳米片均表现出一定的可饱和吸收效应,并分别计算得到了二者的非线性吸收系数(-16.74 cm GW-1,-33.24 cm GW-1)及调制深度(19.31%,34.96%)。通过泵浦探测测试表明具有等离子体共振吸收特性的二维三氧化钼纳米片在800 nm飞秒激光泵浦下,其载流子的衰减曲线遵循双指数衰减特征,对应于快态(~200 fs)和慢态(~1 ps)两个衰减过程。在此基础上尝试利用具有等离子体共振吸收特性的二维三氧化钼纳米片作为可饱和吸收体构建1.0 μm波段的脉冲激光器,并得到了稳定的脉冲序列。锁模激光的中心波长位于1067 nm,脉冲宽度~130 ps,重复频率为17 MHz。

此项工作证明了通过液相剥离法制备得到的二维三氧化钼纳米片在可见光辐照后表现出等离子共振吸收特性。该特性使得其可饱和吸收效应及调制深度增加。基于具有等离子体共振吸收特性的二维三氧化钼纳米片作为锁模光纤激光器的可饱和吸收体。相关文章在线发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201700948)上。

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