基于Ti3C2TX饱和吸收体的可切换模式锁定光纤激光器，具备多态操作功能

《Optical Fiber Technology》：Switchable mode-locked fiber laser with multi-state operations based on Ti 3C 2T X saturable absorber

基于Ti3C2TX饱和吸收体的被动锁模掺铒光纤激光器，通过调节泵浦功率和偏振状态，实现了单波长、双波长及束缚态孤子等多种锁模输出模式，并首次观测到单波长锁模下的频率分割复用现象。该激光器展现出四种可切换的工作状态，证实了Ti3C2TX SA在提升被动锁模光纤激光性能方面的有效性。

　　

李文磊|李慧玲|段光远|陈光伟

河南理工大学物理与电子信息工程学院，焦作454000，中国

摘要

本文介绍了一种基于Ti₃C₂T_X饱和吸收体（SA）的被动锁模光纤激光系统。我们成功实现了多种锁模输出，包括单波长常规孤子、束缚态孤子以及每种波长下具有不同锁模状态的双波长孤子。此外，在单波长锁模条件下还观察到了频率分复用现象。该光纤激光器展示了四种可切换的工作状态，表明基于Ti₃C₂T_X的锁模技术是提升被动锁模光纤激光器性能的有效方法。

引言

基于光纤的多波长激光器在光通信、生物医学研究、光纤传感、光子器件测试和光信号处理等领域具有广泛的应用前景[[1], [2], [3], [4], [5]]。近年来，基于二维（2D）光学材料的饱和吸收体（SAs）因其非线性饱和吸收特性、宽响应范围和优异稳定性而受到广泛关注[[6], [7], [8], [9]]。碳化钛（Ti₃C₂T_X）是第一种成功剥离出的具有优异光电特性的MXene相陶瓷材料。作为一种新型的2D饱和材料，它因其优异的光电特性而引起了研究人员的关注[10]。2023年，陆成等人使用液相剥离法制备了Ti₃C₂T_X纳米片[11]。利用自制的Ti₃C₂T_X-SA，他们使用掺铒光纤激光器记录了Q开关脉冲、常规孤子脉冲和孤子分子脉冲。他们的研究表明，Ti₃C₂T_X材料表现出优异的非线性特性，并在超快激光器领域具有巨大潜力。

与其他纳米材料（如石墨烯[12]、MoS2[13]和量子点[14]）相比，Ti₃C₂T_X结合了高非线性、低毒性和可调表面特性，使其适用于多态激光操作。Ti₃C₂T_X的宽光谱响应范围使其适用于多种波长，能够满足各种激光器的需求[[15], [16], [17]]。通过化学修饰Ti₃C₂T_X的表面，可以调整其光学特性以优化激光器性能。从材料属性来看，MXene相陶瓷材料使得基于Ti₃C₂T_X制备的SA具有比传统2D材料更高的损伤阈值[18,19]。从其他角度来看，基于MXene的材料具有较低的毒性和更好的环境适应性，这符合未来的可持续发展方向[20,21]。因此，基于所提出的Ti₃C₂T_X-SA，应进一步探索更多有意义的物理现象。

本文提出了一种使用Ti₃C₂T_X-SA的可切换锁模掺铒光纤激光器（EDFL）。通过调节泵浦功率和偏振状态，以及调制腔体损耗和线性双折射，可以实现单波长、双波长和束缚态锁模脉冲。通过精细调节泵浦功率和偏振状态，产生了罕见的单波长频率分复用（FDM）现象；在双波长锁模状态下，腔体内共存两种不同类型的孤子。需要注意的是，“频率分复用”这一术语虽然源自通信系统，但在锁模激光器的背景下，它指的是在同一光谱带内生成具有不同重复率的多个脉冲序列，这是由非线性腔体动力学实现的。

方法部分

本文描述了通过将高纯度Ti₃C₂T_X粉末添加到成膜剂PVA中来制备Ti₃C₂T_X-SA的方法。具体步骤如下：首先，将10毫克Ti₃C₂T_X粉末（从仙峰纳米公司购买）与20毫升去离子水混合，然后进行30分钟的超声处理。之后，将混合溶液置于3500转/分钟的离心机中半小时，静置半小时。然后取上层透明液体

实验结果与讨论

被动锁模光纤激光系统的实验配置如图3所示。该系统由980纳米激光二极管（LD）进行光泵浦，激光通过980/1550纳米波长分复用器（WDM）耦合到腔体中。系统使用偏振不敏感隔离器（PI-ISO）实现单向操作，并通过偏振控制器（PC）优化锁模状态。耦合端口（OC）的输出端采用10%的输出功率

结论

本文基于Ti₃C₂T_X构建了一种被动锁模EDFL，成功实现了单波长和双波长锁模脉冲以及束缚态脉冲输出。首先，通过沉积方法制备了Ti₃C₂T_X薄膜，并将其连接到光纤跳线作为锁模器件。通过逐渐增加泵浦功率并微调PC，实验中实现了1558纳米处的自启动单波长锁模。通过调整

CRediT作者贡献声明

李文磊：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。李慧玲：撰写 – 审稿与编辑。段光远：数据管理。陈光伟：撰写 – 审稿与编辑，资源提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金青年科学基金（项目编号62505078）、河南省自然科学基金（项目编号252300421808）和河南省高校基本科研业务费（项目编号NSFRF240317）的支持。