用于被动锁模与调 Q 锁模掺铒光纤激光器的 HfSSe 可饱和吸收体

《Optical Fiber Technology》：HfSSe saturable absorber for passively mode-locked and Q-switched mode-locked erbium-doped fiber lasers

　　

•研究了HfSSe的电子结构和性质，制备了基于HfSSe的具有高损伤阈值的可饱和吸收体（SA）。•获得了基于HfSSe-SA的光纤激光器，该激光器同时具有锁模（ML）和调Q锁模（QSML）两种工作状态。•在锁模状态下，脉冲间隔为406 ns，3 dB带宽为2.43 nm，信噪比为71.3 dB。•在QSML状态下，最大平均输出功率为3.21 mW，对应的脉冲能量约为124.4 nJ。

1. 引言

脉冲光纤激光器凭借其固有的优势，在工业、光通信、传感、医学等众多领域引起了广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。调Q（QS）和锁模（ML）是产生脉冲激光的两种主要技术，根据运行机制的不同，两者均可进一步分为有源和无源调制方式[6]。与有源锁模光纤激光器相比，无源锁模（PML）和无源调Q（PQS）光纤激光器具有独特的优势，包括配置更简单、脉冲宽度更窄以及稳定性更高，使其在实际应用中更具吸引力[7]、[8]。可饱和吸收体（SAs）是无源调Q和无源锁模激光系统中的关键元件[9]、[10]。常用的可饱和吸收体主要分为两大类。一类是基于人工可饱和吸收体的非线性效应，如非线性放大环镜、非线性偏振旋转和非线性多模干涉[11]、[12]、[13]。另一类可饱和吸收体基于二维（2D）纳米材料[14]、[15]、[16]、[17]。该类材料种类繁多，主要包括石墨烯、拓扑绝缘体（TIs）、黑磷（BP）、过渡金属二硫族化合物（TMDs）、过渡金属碳化物（MXenes）、金属-有机框架（MOFs）以及其他新兴纳米材料[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。值得注意的是，二维材料在可饱和吸收体材料中占有很大比例，这主要归因于其出色的物理性能和多样的类型[24]。

TMDs的通式为MX?，其中M来自第四族过渡金属元素（如Zr和Ti）[25]、[26]，第五族（V和Nb）[27]、[28]，第六族（Mo和W）[29]、[30]，或第七族（Re）[31]，X代表硫族原子（如S、Se或Te）[32]、[33]。这些化合物表现出三阶光学非线性和超快载流子动力学特性，使其在非线性光子学应用中极具前景[34]、[35]、[36]。此外，由于其独特优势和种类繁多，TMDs在众多领域引起了极大的研究兴趣，特别是在快速发展的超快脉冲光纤激光器领域[37]。然而，传统TMDs的单侧结构限制了其功能多样性、可调性和性能提升。为克服这些局限性，研究人员开发了Janus型TMDs材料。这种独特的非对称结构为Janus TMDs在材料设计和功能集成方面提供了新的机遇，使其相比传统TMDs具有显著优势[38]、[39]。它们可以在单一材料上实现双功能应用，并且其表面性质可以通过化学修饰和物理处理进行精细调节，为材料性能优化提供了更大的灵活性[40]。Ahmed等人证明，具有双层结构的TMD材料WSSe表现出出色的光响应性、宽带响应范围、优异的稳定性及耐久性，并且可以作为无源调Q光纤激光器的半导体吸收层[41]。Chen等人通过化学气相沉积（CVD）制备了SnSSe材料。当将SnSSe可饱和吸收体加入激光器时，在1530 nm处实现了短至547.8 ns的调Q脉冲[42]。Wang等人报道，SnSSe的层间距相比SnS?增加了2.84%。SnSSe可饱和吸收体表现出57.5%的大调制深度，基于该可饱和吸收体的激光器实现了42.79 nJ的脉冲能量，这进一步证实了Janus型TMDs SnSSe在实现无源调Q光纤激光器中的出色性能[43]。Tang等人利用MoSSe合金作为可饱和吸收体来调制Er3?掺杂氟光纤激光器，在2790 nm处实现了脉冲宽度短至390 ns的稳定调Q脉冲[44]。作为TMDs家族的新成员，铪（Hf）基硫族化合物近年来因其独特的电子和光学性质而受到广泛关注[45]、[46]。铪基硫族化合物具有高迁移率（1800–3500 cm2V?1S?1）和宽吸收光谱范围（1–2 eV）。与二元化合物HfS?和HfSe?相比，Janus型HfSSe在调节带隙方面具有额外的自由度[47]、[48]，这为在宽带检测中实现快速光响应提供了广阔的前景。先前的研究已证实它是一种间接带隙半导体，适合在近红外波段进行激光调制[49]。此外，作为Janus家族的一员，它不仅具有极长的激子寿命[50]、[51]、优异的声子输运性能和热力学稳定性[52]等物理性质，还表现出量子霍尔效应[53]、铁弹性拓扑绝缘效应[54]、压电效应[55]、[56]和光伏效应[57]等物理现象。所有这些表明该材料在吸收和检测光子方面具有广阔的应用前景。然而，Janus型HfSSe材料在锁模和调Q锁模（QSML）光纤激光器中的应用，以及将其作为可饱和吸收体的可行性，目前研究相对较少。因此，研究基于Janus型HfSSe材料的QSML和ML脉冲具有重要的科学意义和实用价值。

在本研究中，我们通过液相剥离法制备了HfSSe溶液，然后将制备好的HfSSe均匀溶液沉积在锥形光纤上以制备HfSSe可饱和吸收体。基于该可饱和吸收体，成功实现了可同时工作在锁模和QSML状态的掺铒光纤激光器（EDFL）。在锁模状态下，当泵浦功率为30 mW时，获得了稳定的锁模脉冲，脉冲间隔为406 ns。锁模光谱的中心波长为1530 nm，3 dB带宽为2.43 nm。通过重新调整泵浦功率和偏振控制器（PC），在1543 nm处实现了QSML工作。稳定光脉冲的幅度被具有典型调Q特性的包络信号所调制，调Q脉冲包络持续时间约为9.29 μs。此外，我们可以观察到QSML脉冲由一系列间隔为406 ns的锁模脉冲组成。当泵浦功率从90 mW连续增加到130 mW时，QSML脉冲的重复频率从18.04 kHz增加到25.76 kHz，而相应的脉冲宽度从23.81 μs减小到9.32 μs。

2. 材料与方法

2.1. 几何结构

我们对HfSSe块体材料进行的电子结构和光学性质计算对其在光纤激光器领域的应用具有重要意义。如图1(a)所示，硫（S）、铪（Hf）和硒（Se）原子通过共价键相互连接。Hf–S和Hf–Se的键长分别为2.67 ?和2.54 ?。较短的键长表明Hf、S和Se原子之间存在强烈的结合，这些原子以交替方式排列，有助于增强结构稳定性。此外，过渡金属原子与非金属原子之间的共价键具有较高的键能，进一步增强了这种稳定性。不仅如此，层间通过相对较弱的范德华力相互作用。HfSSe的层间距为6.28 ?，而层内间距为2.97 ?，如图1(b)所示。Hf原子层与混合S-Se原子层的交替排列形成了图1(c)所示的HfSSe层间结构。很容易看出Hf原子位于该块体结构的中心。整个结构呈现二维六边形晶格图案。HfSSe材料的这些性质对于其在电子器件和材料科学中的应用至关重要。

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图1. (a) 层状HfSSe原子结构的侧视图；(b) HfSSe蜂窝结构的俯视图；(c) HfSSe的层间距和层内间距。

2.2. 电子性质

为了研究HfSSe材料的电子性质及其在光电器件中的潜在应用，我们分析了单晶HfSSe的能带结构并计算了其态密度（DOS）。HfSSe块体的三维能带结构描述了二维布里渊区内电子分布的关系。如图2(a)所示，它清楚地展示了价带和导带能量随动量分量kx和ky的变化。可以观察到HfSSe的三维能带表现出明显的色散特性，表明导带最低点（CBM）处载流子的有效质量相对较小，从而赋予电子传输过程优异的传输性能。此外，导带最低点（CBM）和价带最高点（VBM）在不同的动量点变化，表明这是一种间接带隙半导体，这会影响光吸收过程。

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图2. (a, b) 块体HfSSe的电子能带结构；(c, d) 块体HfSSe的态密度和分波态密度。

图2(b)展示了单晶HfSSe的电子能带结构。在费米能级附近的价带和导带之间可以观察到非常小的带隙，表明其具有优越的电学性能，如高电导率、宽光谱响应和强可控性。这些特征证实该材料是半导体，在新型电子和光电器件应用中具有巨大潜力。图2(c)展示了费米能级附近轨道的贡献。它表明d轨道在费米能级附近具有更高的态密度。这进一步证明了强光-物质相互作用势的存在。作为电子性质研究的一部分，我们对HfSSe块体材料进行了分波态密度（PDOS）分析，以揭示不同元素对体系电子态的贡献，如图2(d)所示。观察发现，对d轨道的贡献完全来自Hf原子。这一结果表明Hf原子在HfSSe材料的电子组成中起着主导作用，特别是在控制费米能级附近的电子性质方面。此外，Se和S的p轨道电子占据数相对较高，而Hf的d轨道与S和Se的p轨道杂化，形成了稳定的共价键结构。这种轨道杂化现象为该材料的超快载流子动力学特性提供了强有力的支撑，而这一特性正是实现稳定锁模工作的关键。该理论基础成功阐明了HfSSe作为掺铒光纤激光器腔内高效可饱和吸收体的内在机制。

为了了解HfSSe的光吸收特性及其对电磁波的吸收能力，我们还计算了HfSSe的介电函数。如图3(a)所示，它是HfSSe材料介电函数的实部，其中XX\YY和ZZ分别代表沿不同晶体轴方向的介电响应。可以清楚地表明，HfSSe是一种面内对称性高、面间耦合弱的各向异性半导体/光学材料。这在HfSSe电子性质的研究中起到了积极作用。图3(b)展示了HfSSe材料介电函数的虚部。图中的红色和蓝色曲线分别对应XX\YY和ZZ方向的能量变化趋势。这两条曲线的峰值高度不同，XX\YY的峰值高度为29.2，而ZZ的峰值高度为6.59。然而，峰值位置对应的能量基本相同：XX\YY方向为2.03 eV，ZZ方向为2.38 eV。不同方向的显著吸收差异表明HfSSe材料具有光学各向异性。介电函数计算所预测的强面内吸收和光学各向异性表明，当光通过该材料传播时可产生高效的饱和吸收。

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图3. (a, b) HfSSe光学介电函数的实部和虚部；(c, d) HfSSe的吸收光谱和能量损耗。

同时，我们还计算了HfSSe的吸收光谱，以反映其吸收不同能量光子的能力。

如图 3(c) 所示，横轴代表光子能量，分为两个方向：XX\YY（红色）和 ZZ（蓝色）。可以看出，在 0.7 eV 以下，HfSSe 对不同能量光子的吸收非常微弱。图 3(d) 清楚地展示了入射电子与 HfSSe 材料中的集体电子相互作用时的能量损失。所有这些都表明 HfSSe 具有优异的面内光吸收和各向异性，使其成为二维光电器件、偏振光学、光催化等领域的理想候选材料。从 HfSSe 的谱能图可以看出，在 0–10 eV 的能量范围内，没有明显的强等离子体模式激发。这种行为主要体现在电子跃迁上。在 XX/YY 和 ZZ 两个方向上，在约 15–19 eV 的能量范围内均观察到一个突出且相对狭窄的峰，相应的峰值在 4.49 到 4.8 之间。这种特性使得入射光子能量能够被更高效地吸收并转化为电子 - 空穴对，从而促进光生载流子的产生。这进一步证实了 HfSSe 材料完整的光吸收能力。

2.3. HfSSe 及其 SA 的制备与表征
2.3.1. HfSSe 溶液的制备
图 4 展示了通过液相剥离制备均匀混合的 HfSSe 溶液的过程。选择异丙醇（IPA）作为分散剂，因为与乙醇相比，它对脂溶性物质的溶解度更高，且能与水以任意比例互溶。如图 4 所示，将 3.5 mg HfSSe 粉末与 8 mL IPA 溶液混合，然后将混合溶液放入超声设备中处理约 8 小时。超声波清洗机的温度设置为 35℃。最后，使用离心机对 HfSSe 混合溶液进行离心。离心条件为每分钟 5000 转，持续 5 分钟。随后，成功分离的上清液用于实验和材料表征。
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图 4. HfSSe 上清液溶液的制备过程。

2.3.2. HfSSe 的表征
为了评估 HfSSe 纳米材料的质量，将制备好的 HfSSe 上清液滴铸到方形硅晶圆上，然后自然风干。在进行扫描电子显微镜（SEM）和能量色散 X 射线光谱仪（EDS）测量之前，对干燥的 HfSSe 样品表面进行了镀金处理，以获得 HfSSe 纳米材料的高质量 SEM 图像。在表征 HfSSe 样品的表面形貌和元素组成时，分别采用了 SEM 和 EDS。图 5(a) 所示 EDS 光谱中标注的峰分别对应 Se、Hf 和 S，进一步证实了 HfSSe 样品的元素组成。Se、Hf 和 S 的原子百分比分别确定为 28.8%、42.6% 和 28.5%。光谱中观察到的最强衍射峰源自硅晶圆基底的 Si 元素，未检测到其他杂质元素。图 5(b) 显示了 500 nm 尺寸的 HfSSe 纳米材料的 SEM 图像，其中可以观察到纳米材料的层状结构，证实 HfSSe 纳米材料已被完全剥离。
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图 5. (a) 沉积的 HfSSe 的 EDS 光谱；(b) 500 nm 尺寸下 HfSSe 纳米材料的 SEM 图像；(c) HfSSe 的 XRD；(d) 层状 HfSSe 的拉曼光谱。

此外，使用 X 射线衍射（XRD）技术分析了 HfSSe 的晶体结构，如图 5(c) 所示。粉末样品在 2θ 范围 5–95°内进行了 XRD 扫描。XRD 图谱中对应于 (001) 晶面的衍射峰相对较强，证实制备的层状 HfSSe 纳米材料具有良好的结晶度。采用拉曼光谱分析了 HfSSe 纳米材料的结构性能。如图 5(d) 所示，在 130.24 cm?1、205.53 cm?1 和 321.98 cm?1 处观察到了三个明显的拉曼峰，分别对应于 Eg、A1g 和 Eg 振动模式。该结果与之前对 HfSSe 结构表征的研究一致 [58]。

然而，从拉曼和 XRD 光谱中获得的信息不足以确定 HfSSe 纳米材料的准确厚度。因此，使用原子力显微镜（AFM）分析了 HfSSe 纳米材料的横向尺寸和垂直厚度。如图 6(a) 所示，展示了 HfSSe 的 AFM 图像，其中绘制了四条随机线以观察 HfSSe 的厚度和横向尺寸。图 6(b) 显示了 HfSSe 纳米材料的三维原子 AFM 图像，这为观察纳米材料的形貌和结构提供了更清晰的视角，并证明了二维纳米材料的成功剥离。如图 6(c) 所示，厚度约为 15 nm，其横向尺寸通常在数百纳米量级。
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图 6. (a) HfSSe 纳米材料的 AFM 图像；(b) 三维 AFM 图像；(c) HfSSe 纳米材料的厚度。

2.3.3. HfSSe SA 的制备
HfSSe SA 是通过将前述 HfSSe 上清液滴在锥形光纤的腰部实现的。图 7(a) 所示的锥形光纤是通过火焰加热拉伸法制备的 [59]。使用移液器将约 8 μL 的 HfSSe 上清液滴在锥形光纤的腰部，然后将附有样品液滴的锥形光纤置于室温下干燥。如图 7(b) 所示，实现了具有倏逝场效应的 HfSSe SA，其具有高损伤阈值和优越的光学性能。此外，我们在实验中测量到该 SA 的插入损耗为 2.37 dB。值得注意的是，由于该区域核心直径的减小，这种倏逝场效应在锥形光纤的腰部尤为突出。
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图 7. (a) 锥形腰部示意图；(b) 锥形光纤示意图；(c) HfSSe SA 的非线性光吸收特性。

2.3.4. HfSSe SA 的非线性吸收特性
我们通过平衡双探测器测量系统系统地表征了基于 HfSSe 的 SA 的非线性光学特性。图 7(c) 描绘了 HfSSe SA 归一化非线性吸收特性随入射峰值功率的变化函数。为了定量解释饱和吸收特性，实验数据被拟合到标准双能级 SA 模型。拟合程序的控制方程如公式 (2.1) 所示：
(2.1) α(I) = α_s / (1 + I/Isat) + α_ns
其中 α(I) 是强度相关吸收系数，αns、αs 和 Isat 分别是非饱和吸收、饱和吸收系数和饱和强度。在本研究中，通过应用上述理论框架对实验吸收曲线进行分析，我们得到 Isat 和 αs 分别为 31.825 MW/cm2 和 3.670%。这些发现表明 HfSSe SA 具有显著的非线性光学特性，使其成为 ML 和 QSML 光纤激光器中有前途的关键非线性光子元件候选者。

2.4. 实验设置
图 8 展示了应用 HfSSe 作为 SA 的铒掺杂光纤激光器的实验设置。一个中心波长为 980 nm、最大输出功率为 630 mW 的泵浦源连接到环腔中，为激光系统提供泵浦。使用了一个偏振无关的分束 - 隔离器 - 波分复用器耦合器 (PI-TIWDM)，这确保了光在腔内的单向传播，并简化了环腔的结构。具体而言，环腔中 20% 的激光输出用于后续的实验表征。该装置使用一根长 8 米的铒掺杂光纤 (EDF) (Nufern: EDFC ?980-HP) 提供足够的增益，色散参数为 ?16 ps/(nm·km)。PC 放置在 HfSSe SA 和 PI-TIWDM 之间，通过调节 PC 来调节腔内的偏振态。单模光纤的长度为 75 m。激光腔内的其余光纤和尾纤均为单模光纤 (SMF)，长度为 75 m，色散参数为 17 ps/(nm·km)。环腔的总长度为 83 m。腔的净色散为 ?0.017 ps2/km，这个负值表明它运行在反常色散区域。激光的输出功率使用功率计测量。随后，使用光纤耦合器将输出光分为两支路：一支传输到光谱分析仪，另一支导向示波器，从而实现对输出特性的实时监控。此外，使用自相关仪和射频光谱分析仪分别记录了脉冲的自相关轨迹、基频重复率和相应的信噪比。
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图 8. 环形激光腔的实验设置。

3. 结果与讨论
3.1. 锁模运行
锁模运行与光纤腔内的各种因素有关，如光纤的非线性效应、色散、腔内增益和损耗以及 SA 的光学特性 [60]。此外，通过旋转 PC 挤压和扭转光纤可以改变腔的双折射，使其处于适当状态以实现稳定的锁模脉冲输出。在本实验中，我们在未将 HfSSe SA 插入腔的情况下调整泵浦功率并旋转 PC，但未能实现锁模 (ML) 或调 Q 锁模 (QSML) 运行。通过将 HfSSe SA 引入环形激光腔，当泵浦功率达到 30 mW 且 PC 调整到适当状态时，示波器上开始出现锁模脉冲。锁模运行可以在 30–90 mW 的泵浦功率范围内维持。研究了稳定锁模脉冲的相关性能。从图 9(a) 可以看出，脉冲序列非常稳定，这证明了 EDFL 的锁模工作模式是稳定的。等间隔输出的孤子显示均匀的脉冲列，脉冲间隔约为 406 ns，这与激光腔长度相匹配。图 9(b) 展示了相应的光谱，中心波长为 1530 nm，3 dB 谱线宽为 2.43 nm。锁模光谱以 1530 nm 为中心，这归因于增益介质 (EDF) 在该波长附近表现出增益峰。同时，通过调节 PC 的状态，该波长下的腔内损耗被降低到足够低的水平，使得 1530 nm 分量能够在腔内被优先放大。在光谱上可以观察到明显且对称的 Kelly 边带，表明锁模激光器运行在常规孤子区域。脉冲的自相关轨迹曲线如图 9(c) 所示。孤子脉冲的持续时间约为 1.49 ps。我们计算的时间带宽积 (TBP) 为 0.463，高于变换极限值，表明脉冲表现出轻微啁啾效应。此外，我们还测量了相应的射频 (RF) 光谱，以进一步验证锁模运行的稳定性。在图 9(d) 中，可以观察到基频峰位于基本重复频率 2.47 MHz 处。信噪比 (SNR) 约为 71.3 dB，且 2.47 MHz 的射频也与 406 ns 的脉冲间隔一致。通过射频光谱，我们可以知道被动锁模运行具有低幅度波动和高稳定性。为了研究锁模状态的稳定性，连续监测输出光谱 5 小时。如图 10 所示，输出光谱没有明显变化，表明整个过程中锁模运行保持稳定。
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图 9. (a) 示波器轨迹；(b) 光谱；(c) 自相关轨迹；(d) 射频光谱。
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图 10. 5 小时期间的光谱。

表 1 简要概述了基于各种二维材料的被动锁模环形腔 EDFL 器件。在本研究中，我们的实验结果表明脉冲持续时间与基于单壁碳纳米管 (SWNT) 的锁模激光器的脉冲持续时间高度相似。然而，就信噪比而言，我们的结果显著优于这些材料。与基于 TMD 的材料相比，我们的设备表现出可比的 3-dB 带宽变化范围。

尽管输出脉冲持续时间相对较大，但信噪比远超这些材料，表明我们的锁模状态具有高度稳定性。通过改进饱和吸收体的制作工艺和优化环形腔结构，我们可以提高激光器的输出性能。实验结果表明，HfSSe 饱和吸收体作为优秀的光学器件具有巨大潜力。

表 1. 基于不同饱和吸收体的无源锁模掺铒光纤激光器比较。

| 饱和吸收体 | 中心波长 (nm) | 脉冲持续时间 (ms) | 基频重复频率 (MHz) | 信噪比 (dB) | 3 分贝带宽 (nm) | 参考文献 |
| :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- |
| Fe3O4 | 1572.39 | 2.93 | 2.80 | 65 | 71.39 | [61] |
| VP | 1530 | 8765 (fs) | 9.38 | 35 | 23.23 | [62] |
| Ge | 1559 | 7.25 | 2.59 | 63.8 | 1.02 | [63] |
| SWNT | 1564.18 | 1.45 | 13.37 | 60 | 3.2 | [64] |
| Ga2STe | 1563 | ? | 5.45 | 53 | 3.8 | [65] |
| HfSSe | 1530 | 1.49 | 2.47 | 71.3 | 2.43 | 本文 |

3.2. 调 Q 锁模运行

通过适当调整波片并提供合适的泵浦功率，产生了稳定的无源调 Q 锁模脉冲串。锁模模式与调 Q 锁模模式之间的切换主要由增益动力学与饱和吸收体恢复时间之间的相互作用主导，这与早期研究中报道的观察结果一致 [66], [67], [68]。在 130 mW 输出下测得的调 Q 脉冲包络图如图 11(a) 所示，调 Q 脉冲包络的时间宽度约为 9.29 μs。在图 11(b) 中，放大调 Q 脉冲包络后，我们可以观察到一系列锁模脉冲序列，时间间隔为 406 ns。图 11(c) 展示了不同泵浦功率水平下调 Q 锁模脉冲序列的示波器波形。可以看出，当泵浦功率为 90 mW 时，调 Q 锁模脉冲开始出现。图 11(d) 显示了泵浦功率为 90 mW 时调 Q 锁模状态的光谱图。光谱的中心峰值比正常锁模脉冲的更尖锐。因此，可以看出，调 Q 和锁模效应不仅在时域上调制了调 Q 锁模脉冲，其光谱特性也由调 Q 和锁模效应共同决定。

图 11. (a) 130 mW 下的调 Q 脉冲包络；(b) 放大后的调 Q 脉冲包络；(c) 不同泵浦功率下的脉冲序列；(d) 90 mW 下调 Q 锁模状态的光谱图。

从图 12(a) 也可以清楚地观察到，随着泵浦功率的不断增加，调 Q 锁模脉冲序列的重复频率呈现出单调递增的趋势。当泵浦功率从 90 mW 连续增加到 130 mW 时，调 Q 锁模脉冲的宽度从 23.81 μs 减小到 9.32 μs，而重复频率从 18.04 kHz 增加到 25.76 kHz。这一特性与传统无源调 Q 光纤激光器的典型特征一致。然而，当泵浦功率超过 130 mW 时，这种趋势变得不可持续。当泵浦功率降低回 90–130 mW 的范围时，稳定的调 Q 锁模脉冲包络再次出现。这一结果表明，HfSSe 饱和吸收体保持完整并表现出良好的光学性能。图 12(b) 说明了不同泵浦功率下单脉冲能量和平均输出功率的趋势。观察到在 130 mW 的泵浦功率下，最大输出功率达到 3.21 mW，对应的最大单脉冲能量为 124.4 nJ。与其他作为饱和吸收体的过渡金属硫化物（TMDs）获得的单脉冲能量相比，我们的结果具有可比性 [69], [70]。实验显示，稳定的锁模子脉冲出现在调 Q 脉冲包络内，且泵浦功率的增加不会导致其重复频率发生变化。腔内锁模脉冲的时间间隔可以根据谐振腔的长度计算（τ = 2nL/c）。基于激光器的腔长为 83 m，计算得出的锁模脉冲时间间隔应为 406 ns，这与实际实验测量结果一致。

图 12. (a) 脉冲重复频率和脉冲持续时间随泵浦功率的变化；(b) 输出功率和脉冲能量随泵浦功率的变化。

4. 结论

总之，我们通过液相剥离法获得了均匀混合的 HfSSe 溶液，并通过将溶液沉积在锥形光纤上获得了 HfSSe 饱和吸收体。随后，由于 HfSSe 适中的调制深度和超快载流子动力学，在基于 HfSSe 的掺铒光纤激光器系统中实现了稳定的锁模和调 Q 锁模脉冲产生。在锁模状态下，脉冲宽度和脉冲间隔分别为 2.3 ps 和 406 ns，信噪比为 71.3 dB。我们调整了波片并改变泵浦功率，也实现了调 Q 锁模脉冲状态。当泵浦功率从 90 mW 变为 130 mW 时，脉冲序列的重复频率从 18.04 kHz 增加到 25.76 kHz，脉冲序列的宽度从 23.81 μs 减小到 9.32 μs。然而，调 Q 锁模的功率范围仍然较窄。未来的研究工作将致力于提高 HfSSe 饱和吸收体的性能，从而扩展其功率范围。

CRediT 作者贡献声明

Huiran Yang: 撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。
Yiqing Xie: 撰写 – 原稿，验证，方法论，研究，形式分析，构思。
Xiyang Zhao: 研究，构思。
Xupeng Li: 监督，形式分析。
Pei Zhang: 软件。
Maolin Zeng: 软件。
Chenhao Lu: 构思。
Qiyi Zhao: 资源。
Lu Li: 资源，资金获取，形式分析。

Huiran Yang|Yiqing Xie|Xiyang Zhao|Xupeng Li|Pei Zhang|Maolin Zeng|Chenhao Lu|Qiyi Zhao|Lu Li