通过层状工程技术设计的CrSeTe饱和吸收体，用于1 μm和1.5 μm波长的高性能锁模光纤激光器

《Optical Fiber Technology》：Layer-engineered CrSeTe saturable absorbers for high-performance mode-locked fiber lasers at 1 μm and 1.5 μm

本研究通过液相剥离法制备双层和体相CrSeTe saturable absorbers（SAs），集成到1μm和1.5μm光纤激光器中，实现稳定锁模。双层的1μm波段SAs调制深度达17.5%，脉冲宽度954fs；体相的1.5μm SAs调制深度21.0%，脉冲宽度862fs，信噪比分别37.1dB和39.9dB。研究表明层控制可有效优化CrSeTe SA性能，为高性能光纤激光器提供波长自适应材料。

　　

张新月|王静|郭宇航|王梦迪|董志峰|马海斌|李国顺|唐文静|庞金波|夏伟|宋鹏|程文勇

济南大学物理与技术学院，中国济南250022

摘要

二维（2D）材料的层控光学特性为定制基于光纤的超快激光器性能提供了有力途径。在本研究中，我们证明了通过层控CrSeTe可以精确控制其饱和吸收特性，从而在镱掺杂光纤激光器（YDFL）和铒掺杂光纤激光器（EDFL）中实现更优的模式锁定脉冲生成。CrSeTe饱和吸收体（SA）通过液相剥离（LPE）技术制备，并集成到全光纤激光腔中。第一性原理计算揭示了双层与块状CrSeTe之间的明显能带结构差异，这些差异与其非线性光学响应相关。在1 μm波段，双层CrSeTe SA的调制深度达到17.5%，能够产生持续时间为954 fs、重复率为3.64 MHz且信噪比为37.1 dB（输出功率为7.95 mW）的稳定模式锁定脉冲。相比之下，块状CrSeTe在1.5 μm波段表现出更优的性能，调制深度达到21.0%，并在EDFL中产生持续时间为862 fs、信噪比为39.9 dB的脉冲。这些结果突显了层控在优化SA性能中的关键作用，并表明CrSeTe是一种适用于高性能、紧凑型光纤激光系统的多功能、波长可调材料。

引言

近年来，由于光纤激光器具有出色的光束质量、紧凑结构、超快脉冲能力、高可靠性和强环境适应性等优点，已成为多个领域的理想光源[1][2][3]。脉冲光纤激光器因其高峰值功率的独特优势而在众多前沿领域具有不可替代的应用价值[4][5]，特别是在需要超快、高能量密度光-物质相互作用的场景中表现尤为突出。快速饱和吸收效应是光纤激光器中实现超快脉冲生成的核心机制[6][7]。

二维（2D）材料因其独特的层状结构和量子限制效应而成为非线性光学性能研究的重点[8][9][10]，这些独特的光电特性使其成为产生巨脉冲输出的光纤激光器中的极具前景的候选材料。近年来，多种2D材料在光纤激光系统中实现高能量脉冲生成方面展现出巨大潜力，包括石墨烯、黑磷（BP）、拓扑绝缘体（TIs）和过渡金属硫属化合物（TMDs）[11][12][13]。其中，TMDs因其丰富的材料体系和可调的物理化学性质，在推进巨脉冲光纤激光器研究方面发挥着不可或缺的作用。

三元化合物已成为TMDs领域的一个重要研究方向[14][15][16]，它们通过高度可调的组成和结构、宽范围的电子和光学性质以及改进的稳定性和活性，克服了二元化合物的性能限制，从而在光电子学、能源催化和柔性电子学等领域具有更优的应用潜力[17][18][19]。CrSeTe是一种典型的三元TMD，具有Se和Te原子层位于相对表面的Janus结构[20]，其可调的带隙和高载流子迁移率使其成为高性能光电探测器和非易失性存储器的理想候选材料。单层CrSeTe的带隙为1.15 eV，适用于基于带隙电子跃迁的1 μm和1.5 μm激光器的调制。

在本研究中，通过液相剥离（LPE）方法制备了双层和块状CrSeTe饱和吸收体（SA）。基于密度泛函理论（DFT）计算了CrSeTe的线性光学特性，并通过Z扫描和功率扫描测量研究了其饱和吸收特性。随后，这两种类型的SA被集成到1 μm和1.5 μm波长的光纤激光腔中，实现了稳定的模式锁定脉冲序列，并对其脉冲调制性能进行了跨光谱带的比较分析。

CrSeTe基SA的制备与表征

使用液相剥离（LPE）方法制备了两种不同厚度的CrSeTe-PVA SA。具体而言，使用玛瑙研钵将CrSeTe粉末细磨成粉末，分别将20 mg和30 mg的粉末分散到装有无水乙醇的单独小瓶中。20 mg的混合物经过8小时的探针超声处理，而30 mg的混合物则处理6小时。待分散液静置后，小心地...

计算细节与方法

基于密度泛函理论（DFT）[26][27][28]计算了双层和块状CrSeTe的电子能带结构以及线性折射率n和消光系数k。结构优化过程采用Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）交换-相关泛函，在广义梯度近似（GGA）框架下进行。混合sx-LDA泛函用于计算电子能带...

两种CrSeTe SA的饱和吸收特性

使用功率扫描和Z扫描测量方法表征了双层和块状CrSeTe SA的非线性光学特性。实验中使用了1 μm和1.5 μm波长的激光源。

数据通过方程（1）[31]进行拟合。

$T=1-\Delta Tex(-\frac{I}{I_{\mathrm{Sat}}})-T_{\mathrm{ns}}$ 其中，T表示透射率；Tns表示非饱和损耗；ΔT表示调制深度；I表示入射强度；Isat表示饱和强度。图3(a)展示了...

结果与讨论

图4展示了镱掺杂光纤激光器（YDFL）和铒掺杂光纤激光器（EDFL）的实验装置。半导体激光二极管（LD）通过单模光纤尾纤作为泵浦源，发射波长为980 nm的光。泵浦光通过波分复用器（WDM，980/1064 nm）注入激光腔。使用0.5 m长的Yb掺杂光纤（YDF，4/125）作为增益介质。三叶片偏振控制器（PC）和偏振无关...

结论

本研究证明了通过精确控制CrSeTe的层数可以有效调整其饱和吸收特性，从而优化其在1 μm和1.5 μm波长的光纤激光器中的性能。通过LPE制备的双层和块状CrSeTe分别集成到全光纤环形腔中，在YDFL和EDFL中实现了稳定的模式锁定操作。在1 μm波段，双层CrSeTe表现出更高的调制深度，使YDFL能够生成更短的...

张新月：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、数据整理、概念化。 王静：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、项目管理、方法论、资金获取、概念化。 郭宇航：可视化、数据整理。 王梦迪：可视化、数据整理。 董志峰：形式分析。 马海斌：形式分析。 李国顺：监督。 唐文静：项目管理。 庞金波：

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（62175130）、国家自然科学基金（61308057）、山东省重点研发计划（2024CXGC010106）、泰山产业专家计划（tscx202408083）和山东省自然科学基金（ZR2021MF128）的支持。