CuInSe：一种基于量子点的饱和吸收体，用于掺铒光纤激光器的超快锁模技术

《Optics & Laser Technology》：CuInSe 2 quantum dot-based saturable absorber for ultrafast mode-locking in erbium-doped fiber lasers

CuInSe2量子点沉积于渐变光纤端面作为饱和吸收体，在掺铒光纤激光器中实现了856 fs脉冲，观察到束缚孤子现象，数值模拟验证了孤子形成机制，证实CuInSe2 QDs在超快光子学中有显著应用潜力。

　　CuInSe?作为一种具有优异光学吸收能力和热稳定性的半导体材料，近年来在非线性光学领域展现出广阔的应用前景。本文的研究重点在于将CuInSe?量子点（CIS QDs）沉积在锥形光纤上，构建一个具有饱和吸收特性的装置，并将其应用于铒掺杂光纤激光器（EDFL）中，以实现稳定的锁模脉冲。通过实验和数值模拟的结合，研究团队系统地分析了CIS QDs的非线性光学特性以及其在光纤激光器中的表现，揭示了其在超快光子学领域的巨大潜力。

在超快光子学领域，被动锁模技术是生成超短脉冲的关键方法之一。相较于需要复杂设计和较高成本的主动锁模技术，被动锁模技术因其结构简单、成本低廉以及出色的稳定性而受到广泛关注。实现被动锁模的关键在于使用合适的饱和吸收器（SA）。早在2004年，S.Y. Set等人首次利用单壁碳纳米管（SWCNTs）作为SA，实现了在1.5 μm波长下光纤环形腔和线性腔激光器的锁模。此后，SWCNT基SA被进一步用于实现1.3 μm波长下镨掺杂光纤激光器的双波长输出。随着研究的深入，二维材料如石墨烯也逐渐被应用于SA领域，其中石墨烯作为首个二维SA，于2009年被报道用于锁模应用。此后，研究团队利用石墨烯的饱和吸收特性，成功实现了在1.5 μm波长下具有约34 nm调谐范围的稳定、可调锁模。近年来，研究范围进一步扩展至多个波段，包括1 μm、2 μm和2.8 μm。石墨烯的成功应用激发了对其他二维材料的探索，包括过渡金属二硫属化物（TMDs）、黑磷（BP）、MXenes和拓扑绝缘体（TIs）。其中，拓扑半金属的优异非线性光学特性显著拓展了相关研究的边界。然而，尽管这些材料在非线性光学领域取得了诸多进展，但在高功率光纤激光器中的实际应用仍面临诸多挑战，例如非线性光学响应较弱、损伤阈值较低以及环境稳定性不足。

CuInSe?（CIS）作为I-III-VI?类硫属化物半导体，具有独特的晶体结构，属于四方黄铜矿结构（空间群I-42d）。其晶体结构特征在于沿c轴方向的原子堆叠顺序为Se-(In, Cu)-Se。CIS具有直接带隙约为1.02 eV，且其电子带结构可以通过内在缺陷工程进行调控。这些材料特性使得CIS在光伏领域得到了广泛研究。此外，CIS还展现出优异的近红外发光性能和电化学传感能力。例如，在2024年，Lian等人开发了一种基于CIS量子点的近红外发光材料，实现了高光致发光量子产率和稳定的发光。在2025年，Li等人将CIS用于印刷碳电极（SPCEs）的表面修饰，构建了高灵敏度、高稳定性和可重复性的电化学传感器。除了这些应用，CIS在非线性光学领域也表现出巨大的潜力。早期研究表明，近化学计量比的CIS薄膜可以产生与传统非线性晶体如GaAs相当的二次谐波（SH）强度。更为重要的是，近期基于第一性原理的计算预测，CIS具有负双折射（Δn < 0），满足非临界相位匹配（NCPM）的条件，这是高效频率转换过程的基本要求。

零维量子点（QDs）因其独特的电子和非线性光学特性，特别是量子限域效应和边缘效应，成为超快光子学领域的重要研究对象。例如，在2019年，Long等人研究了直接带隙GaTe量子点在铒掺杂光纤激光器中的锁模能力，实现了115 fs的超短脉冲。在2022年，Zaca-Morán等人展示了基于石墨烯氧化物量子点的饱和吸收器能够动态调节Q开关激光器的重复率（2–16 kHz），其效果受到泵浦功率变化的影响。在2024年，Yun等人利用基于PbSe量子点的饱和吸收器，在较低泵浦功率（5 mW）下实现了1.95 ps的常规孤子。相较于二维层状纳米材料，基于量子点的饱和吸收器在非线性性能上具有可比性，同时在相同的激发条件下展现出更短的脉冲持续时间和更低的锁模阈值。然而，到目前为止，CIS量子点在超快光纤激光器中的应用仍处于探索阶段，具有广阔的前景。

本研究的目的是系统地表征合成的CIS量子点的非线性光学特性及其在锁模中的表现。实验结果表明，CIS量子点可以产生脉冲持续时间为856 fs的常规孤子，并且在泵浦功率升高后，可以观察到具有固定时间分离（7.2 ps）的束缚孤子对。CIS量子点基的饱和吸收器（CIS QDs-SA）在长时间运行中表现出良好的光稳定性。此外，研究团队还通过数值模拟从多个角度揭示了常规孤子和束缚孤子在环形腔中的演化过程。这些发现验证了CIS量子点在超快光子学应用中的卓越适用性。本研究进一步确立了CIS量子点作为高性能饱和吸收器的潜力，提升了其在先进光学研究中的可信度。

CIS量子点的制备是本研究的关键环节之一。制备方案如图2所示，采用商用CuInSe?粉末作为前驱体材料。CIS量子点的合成过程包括超声辅助液相剥离（LPE）和离心分离。具体来说，100 mg的CIS粉末被精确称量，并分散在无水乙醇中（H?O ≤ 0.2%）。随后，悬浮液在恒温浴中进行了长时间的超声处理（15小时，300 W，40 kHz），以促进材料的剥离。这一过程使得CIS粉末能够被分解为纳米级的量子点，并通过离心进一步纯化。制备出的CIS量子点具有良好的光学性能和稳定性，为后续的实验研究提供了可靠的材料基础。

在非线性光学特性的实验研究中，研究团队采用了一种双臂平衡检测系统，如图5(a)所示。该系统包括泵浦激光源（中心波长：1560 nm；重复率：47.6 MHz；脉冲持续时间：150 fs；平均功率：20 mW）、可变光学衰减器（VOA）、50:50输出耦合器（OC）、所制备的SA装置以及两个光学功率计（P1和P2）。VOA用于连续调节入射光功率，而OC则用于将激光输出从环形腔中引导出来。通过该系统的测量，研究团队能够准确获取CIS量子点的饱和吸收特性，包括其调制深度和饱和强度。实验结果显示，CIS量子点基的SA具有7.13%的调制深度和相对较低的饱和强度（0.356 kW/cm2），这表明其在非线性光学应用中的潜力。

在数值模拟方面，研究团队进一步分析了锁模脉冲在环形腔中的动态演化过程。所采用的模型基于Ginzburg–Landau方程，该方程描述了脉冲在环形腔各段中的传播行为。方程的右边包含了色散、非线性效应、增益和增益色散等因素。通过采用分步傅里叶方法（SSFM）对方程进行数值求解，研究团队能够更准确地模拟脉冲的演化过程。这些模拟结果不仅与实验数据一致，还进一步揭示了CIS量子点在锁模过程中的作用机制。

本研究的结论表明，基于CIS量子点的饱和吸收器具有优异的非线性光学特性，包括7.13%的调制深度和超低的饱和强度（0.356 kW/cm2）。当将其应用于铒掺杂光纤激光器中时，SA能够产生1574 nm波长的基频孤子，其脉冲持续时间为856 fs，谱宽为5.67 nm，从而获得0.587的脉冲宽度比（TBP）。最大平均输出功率达到了8.53 mW，对应的脉冲能量为0.42 nJ。在泵浦功率升高至250 mW以上时，研究团队观察到弱耦合的束缚孤子对的形成，这些孤子对在时间上保持固定分离（7.2 ps）。这些结果表明，CIS量子点在高功率光纤激光器中具有良好的锁模性能，并且其在非线性光学方面的表现与传统材料相比具有显著优势。

综上所述，CIS量子点作为一种新型的非线性光学材料，在超快光子学领域展现出广阔的应用前景。其优异的光学吸收能力、热稳定性以及可调控的电子带结构，使其在光纤激光器中能够实现稳定的锁模脉冲。此外，CIS量子点在非线性光学响应、环境稳定性以及损伤阈值方面也具有显著优势，这使其在高功率光纤激光器中的实际应用成为可能。未来，随着对CIS量子点的进一步研究和优化，其在超快光子学中的应用将更加广泛。