铁黄铁矿（FeS2）纳米颗粒（NPs）作为1530纳米掺铒锁模光纤激光器的可饱和吸收体

《Optical Fiber Technology》：Iron pyrite (FeS2) nanoparticles (NPs) as saturable absorber for 1530 nm erbium-doped mode-locked fiber laser

【字体：大中小】 时间：2026年05月08日 来源：Optical Fiber Technology 2.7

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　　刘宝渊|阿卜杜勒·库尤姆|冯文杰|费Xi|李晓慧|张宏伟西安工业大学国防科学技术学院，中国西安710021摘要由于具有窄带隙（约0.95电子伏特）和优良的非线性光学特性，铁硫化物（FeS2）纳米粒子（NPs）在超快光子学领域引起了广泛关注。在本研究中，采用微波辅助水热法合成了Fe

刘宝渊|阿卜杜勒·库尤姆|冯文杰|费Xi|李晓慧|张宏伟

西安工业大学国防科学技术学院，中国西安710021

摘要

由于具有窄带隙（约0.95电子伏特）和优良的非线性光学特性，铁硫化物（FeS₂）纳米粒子（NPs）在超快光子学领域引起了广泛关注。在本研究中，采用微波辅助水热法合成了FeS₂纳米粒子，并通过扫描电子显微镜（SEM）、能量色散光谱仪（EDS）、透射电子显微镜（TEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、X射线衍射（XRD）、紫外-可见光谱（UV–Vis）、拉曼光谱（Raman）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对其进行了系统表征。将FeS₂纳米粒子作为非线性光学器件集成到被动锁模光纤激光器中，成功产生了中心波长为1530.34纳米、光谱带宽为2.5纳米的稳定脉冲。该激光器的重复周期为117.83纳秒，射频频谱下的信噪比（SNR）为14.73分贝。自相关测量表明脉冲持续时间为约1.097纳秒。在泵浦电流为510毫安时，实现了稳定的锁模效果。这些结果表明，所提出的器件在超快光纤激光应用中具有潜力。

引言

FeS₂是一种天然丰富的硫化物矿物，常见于热液、沉积和残留地质环境中。在过去几十年中，由于其独特的化学和物理特性，纳米粒子（NPs）受到了研究人员的极大关注。这些独特特性主要源于其较高的表面积与体积比以及量子限制效应[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。纳米粒子已成为光子学中的重要组成部分，在掺铒光纤激光器（EDFLs）、被动锁模光纤激光器等各种非线性光学系统中作为可饱和吸收器（SAs）得到广泛应用。由于其低成本、窄带隙、简单的制备工艺和多功能性，FeS₂被认为是一种有前景的光子学材料。这些特性为能源存储、光传感、信息传输、数据保护和环境保护等多个领域带来了诸多可能性[7]。特别是超快和超短脉冲光子学的最新进展，极大受益于这类纳米材料的应用。此外，脉冲激光器可以通过两种主要方法产生：Q开关和锁模[8]、[9]、[10]、[11]。被动Q开关和锁模是通过使用可饱和吸收器（SAs）来实现的[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。同时，光纤激光器因其成本效益、结构简单、环境稳定性和紧凑体积而受到广泛认可[21]、[22]、[23]、[24]。

研究表明，脉冲激光技术的进步与高质量可饱和吸收器（SA）材料的可获得性密切相关。然而，传统的SA材料（如半导体可饱和吸收器镜（SESAMs）存在制造工艺复杂、成本高昂和操作带宽有限等局限性，这些因素阻碍了脉冲激光系统的进一步发展。例如PbS纳米粒子[25]、Fe₃O₄纳米粒子以及拓扑绝缘体[26]、[27]、[28]、[29]等，由于它们具有优越的非线性光学特性、成本效益和优异的材料质量而受到关注。近年来，宽禁带材料（TMDs），包括WS₂ [30]、[31]、MoTe₂ [32]、[33]、TiS₂ [34]和MoS₂ [35]，因其可调的带隙和强大的光吸收特性而受到越来越多的研究[36]、[37]。

在本研究中，FeS₂纳米粒子被用作激光腔中的可饱和吸收器（SA），以实现光纤激光器的被动锁模。FeS₂纳米粒子的制备过程简单快捷。与其他SA材料相比，FeS₂纳米粒子具有窄带隙、低光损耗和优良的非线性光学特性等优点。设计的光纤激光器的工作中心波长为1530.34纳米，具备以下特性：脉冲重复周期为117.83纳秒，射频（RF）信噪比（SNR）为14.73分贝，光谱带宽为1.85纳米。自相关曲线显示脉冲持续时间为约1.097皮秒。当泵浦电流达到570毫安时，实现了稳定的锁模操作。

节选

FeS₂纳米粒子的制备

七水合硫酸亚铁[FeSO₄·7H₂O]和五水合硫代硫酸钠[Na₂S₂O₃·5H₂O》购自上海Macklin公司。所有其他用于合成的化学试剂均来自Chemical Reagent公司。本研究中采用微波水热法合成FeS₂纳米粒子，如图1所示。按照标准程序，将15.781克FeSO₄·7H₂O和10.482克Na₂S₂O₃·5H₂O分别溶解在50毫升蒸馏水中，形成均匀溶液

实验装置

图4展示了包含黄铁矿纳米粒子的被动锁模光纤激光器的示意图。整个激光器腔长23.18米。来自激光二极管（LD）的976纳米泵浦光通过波长分光复用器（WDM）耦合到激光器中，泵浦光最大强度为408毫瓦。增益段由0.80米的掺铒光纤（EDF）组成，其余腔段包括17米的SMF-28光纤和5.38米的尾纤。

结果与讨论

当泵浦功率超过330毫瓦时，超快激光振荡器在固定的偏置电流（PC）条件下进入了稳定的被动锁模状态。在363.6毫瓦时，光谱呈现出典型的孤子轮廓，如图7(a)所示。测量得到的光谱带宽为2.5纳米（3分贝水平），中心波长为1530.34纳米。光谱边缘的平坦化是由于腔体双折射效应与脉冲传播过程中产生的非线性效应相互作用所致

结论

总之，成功制备了由FeS₂纳米粒子构成的可饱和吸收器，并成功应用于光纤激光器振荡器中。所制备的FeS₂可饱和吸收器表现出接近2.4%的调制深度、约34.5%的非饱和损耗以及大约50 MW/cm²的饱和强度。在泵浦功率为311.8毫瓦时，实现了稳定的锁模操作，产生了中心波长为1530.34纳米、光谱带宽为2.50纳米的脉冲，脉冲持续时间为1.097皮秒，重复频率为

CRediT作者贡献声明

刘宝渊：负责撰写、审稿和编辑，以及初稿撰写。阿卜杜勒·库尤姆：负责撰写、审稿和编辑，以及数据整理。冯文杰：负责撰写、审稿和编辑，以及初稿撰写。费Xi：负责验证。李晓慧：负责撰写、审稿和编辑，以及初稿撰写。张宏伟：负责撰写、审稿和编辑。

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢陕西省国际合作项目（编号2023-GHZD-46）、中国科学院的“西部之光”项目（编号XAB2022YWO6）、陕西省科技创新企业培育计划（编号2023QYPY-06）、2024陕西省教育厅科研计划-地方服务专项：产业化培育项目（编号24JC029）、以及

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摘要

引言

节选

FeS2纳米粒子的制备

实验装置

结果与讨论

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作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

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