TiNbZrAl中熵合金在近红外波段的非线性光学特性及超短脉冲生成

《Optical Materials》：Nonlinear Optical Properties and Ultrashort Pulse Generation with TiNbZrAl Medium-Entropy Alloys in the Near-Infrared

中熵合金TiNbZrAl通过第一性原理计算和Z-scan实验揭示了其非中心对称结构与多元素成分对非线性光学特性的影响，证实其在近红外波段具有宽带吸收和显著二阶非线性效应，成功应用于YDFL和EDFL激光器实现亚飞秒脉冲输出。

　　这项研究聚焦于一种名为TiNbZrAl的中熵合金（Medium-Entropy Alloys, MEAs）的非线性光学（Nonlinear Optical, NLO）特性，揭示了其在超快光子学应用中的巨大潜力。中熵合金是多主元合金（Multi-Principal Element Alloys, MPEAs）的一个分支，近年来因其独特的物理和化学性能而受到广泛关注。这类合金通常由多种主元元素组成，具有复杂的电子结构和晶格排列，从而展现出优于传统材料的机械性能，如高延展性、良好的抗腐蚀性和生物相容性。然而，尽管在机械性能方面已有大量研究，其在光学和非线性光学领域的特性仍处于初步探索阶段。

TiNbZrAl作为一种多元素合金，其结构和成分的多样性为研究其光学行为提供了独特的视角。特别是，该合金的非中心对称结构赋予其显著的二阶非线性光学效应，这在光学材料中具有重要意义。同时，由于其多元素组成，TiNbZrAl在局部电子状态和电场畸变方面表现出复杂的分布，这为研究其在宽波段范围内的非线性光学响应奠定了基础。此外，随着合成技术的进步，TiNbZrAl材料已能够被制备成微米和纳米尺度的结构，这种尺寸的缩小不仅改变了材料的电子状态，还增强了表面效应，从而对光学响应产生深远影响。

为了深入理解TiNbZrAl的非线性光学特性，研究者采用第一性原理计算方法，基于密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）对TiNbZrAl的电子密度态（Electronic Density of States, DOS）、晶体结构和光学响应进行了系统分析。这些计算结果表明，TiNbZrAl的非中心对称结构在二阶非线性光学效应方面表现出显著优势，同时其在近红外波段的吸收特性较为平坦，显示出宽频带的吸收能力。这一特性对于需要宽谱响应的光子器件具有重要价值。

在实验验证方面，研究者利用Z扫描技术对合成的TiNbZrAl微球的非线性光学特性进行了详细测量。Z扫描技术是一种用于研究材料非线性光学响应的常用方法，能够通过测量样品在不同位置的透射率变化来评估其非线性吸收和折射特性。实验结果显示，TiNbZrAl微球在1 μm和1.5 μm波段的非线性吸收特性显著，进一步验证了其在宽波段范围内的非线性光学潜力。

为了展示TiNbZrAl在光子学中的实际应用价值，研究者将其制备成可饱和吸收体（Saturable Absorber, SA），并集成到掺镱光纤激光器（Ytterbium-Doped Fiber Laser, YDFL）和掺铒光纤激光器（Erbium-Doped Fiber Laser, EDFL）中。在YDFL系统中，通过TiNbZrAl SA实现了噪声模式锁（Noise-like Mode-locking），成功产生了461飞秒（fs）的超短脉冲。而在EDFL系统中，研究者则实现了常规的孤子模式锁（Soliton Mode-locking），获得了909 fs的脉冲宽度。这些结果不仅表明TiNbZrAl在非线性光学方面的优异性能，也展示了其在超快激光脉冲生成中的应用前景。

TiNbZrAl的多元素组成和非中心对称结构使其在非线性光学特性方面表现出独特的优势。与其他常见的可饱和吸收材料如石墨烯、过渡金属二硫化物和半导体基吸收材料相比，TiNbZrAl具有更高的热稳定性和机械稳定性。这种稳定性源于其多元素组成的复杂能级结构，使得材料在高温或机械应力下仍能保持良好的性能。此外，Ti和Al元素的引入不仅增强了材料的光学吸收能力，还促进了电子结构的稳定化和电子态的扩展，进一步提升了其非线性光学响应的范围和强度。而Nb和Zr元素的加入则通过其适中的电子局域化特性，有助于稳定Ti和Al的电子结构，并促进与其他元素的电子态杂化，从而增强了整体的非线性光学性能。

TiNbZrAl的这些特性使其成为一种极具潜力的新型非线性光学材料，适用于超快脉冲激光器、光学信号处理和宽带光子器件等先进应用领域。在超快激光器中，可饱和吸收体是实现模式锁定的关键组件，能够有效调控激光脉冲的形成和特性。TiNbZrAl在这一领域的表现，不仅证明了其在非线性光学方面的优异性能，也表明其在实际光子器件中的应用价值。通过将其集成到光纤激光器中，研究者成功实现了在不同波段范围内的超短脉冲生成，这为未来开发高性能、高稳定性的光子器件提供了重要的理论和实验依据。

此外，TiNbZrAl的合成方法也值得关注。研究采用电弧熔炼法（arc-melting process）在高纯度氩气氛围中制备了TiNbZrAl合金锭，并通过角度研磨工艺将其转化为微球粉末。这一过程确保了材料的高纯度和均匀性，为后续的光谱和光学特性研究提供了高质量的样品。通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）对TiNbZrAl粉末的形态进行了表征，结果显示微球具有均匀的尺寸和良好的表面结构，这些特性对于其在光子学中的应用至关重要。

在实际应用中，TiNbZrAl的宽频带吸收特性和非线性光学响应使其成为一种理想的可饱和吸收材料。相比于传统的石墨烯或半导体基吸收材料，TiNbZrAl在高温和长时间激光照射下表现出更优的稳定性，这使其在实际工程应用中更具优势。同时，其非中心对称结构和多元素组成赋予其独特的二阶非线性光学效应，这种效应在光子学器件中具有重要价值，可以用于实现更高效的光信号调制和处理功能。

综上所述，这项研究通过理论计算和实验验证相结合的方法，系统地探讨了TiNbZrAl中熵合金的非线性光学特性，并展示了其在超快激光器中的实际应用潜力。研究结果不仅为理解中熵合金的非线性光学行为提供了新的视角，也为开发新型光子器件和优化现有光子系统性能提供了重要的参考。未来，随着对TiNbZrAl材料特性的进一步研究和优化，其在光子学、光学通信、激光加工和生物医学成像等领域的应用前景将更加广阔。