由煅烧 β-沸石纳米颗粒光调制器实现的超快 2 微米锁模

《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》：Ultrafast 2 μm Mode-Locking Enabled by Calcined Zeolite Beta Nanoparticle Optical Modulators

　　

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  作为高效可饱和吸收体的煅烧沸石Beta（BEA）纳米粒子
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  由于BEA的高热稳定性，具有潜在的激光应用前景
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  在1950 nm处的调制深度为4.2%，饱和强度为0.72?MW/cm²
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  在1950.8?nm处产生脉冲宽度为1.42?ps的锁模脉冲
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  信噪比（SNR）为58?dB的稳定输出

引言

在过去十年中，高性能2?μm光纤激光器的开发引起了广泛关注，这得益于其在激光手术[1]、[2]、[3]、激光雷达[4]、遥感[5]、[6]以及作为中红外光参量振荡器泵浦源[7]等方面的多样化应用。这些激光器工作在"眼安全"光谱窗口内，且与水及多种气体分子的强吸收波段相重合，通常需要基于掺铥或掺镥光纤，并要求高效的锁模技术来产生高精度任务所需的超短脉冲。

可饱和吸收体（SAs）是锁模脉冲形成的核心，它是一种非线性光学元件，能够优先透过高强度峰值信号，同时抑制低强度连续波信号。虽然传统的半导体可饱和吸收体镜面（SESAMs）长期以来一直是行业标准，但它们通常受到窄工作带宽、复杂制造工艺和高昂成本的限制[8]、[9]。这推动了向低维材料的转变，例如石墨烯[10]、[11]、碳纳米管[12]、[13]以及过渡金属二硫化物（TMDs）[14]、[15]。然而，这些材料也有各自的不足。单层石墨烯的调制深度较低，但可以通过增加层数来提高[16]，这会增加缺陷的风险。这可能是个问题，因为石墨烯中的缺陷会影响所形成可饱和吸收体的锁模能力[17]。由于强烈的范德华力，碳纳米管有天然团聚的趋势[18]。这会产生较高的不可饱和损耗，从而导致热量积聚。此外，如果不进行精确控制，实验室制备的碳纳米管通常含有不同手性的混合物[19]。这也是个问题，因为每种手性都有特定的吸收峰，混合物会导致在工作波长处的吸收减弱。TMDs最显著的固有弱点是其较宽的直接带隙[20]、[21]，该带隙超过了近红外区域的 photon能量。它依赖于引入缺陷来减小带隙，从而增加了合成过程的复杂性。这促使研究人员探索用于光子学应用的新材料，如有机框架材料[22]、[23]。在本研究中，提出了煅烧沸石Beta（BEA）作为用于光学调制的一种潜在新材料。

沸石是一类微孔材料，其结构由共角共享的硅和铝四面体（T-O₄）作为初级结构单元构建而成。相邻四面体共享氧原子形成次级结构单元，并在三维空间中排列，从而创建具有分子尺度空腔和通道的骨架。这种结构赋予沸石其特征性的多孔性和分子筛特性。虽然沸石天然存在于矿物沉积中，但工业上使用最广泛的是通过水热法合成制备的。这使得制备各种结构和组成的沸石成为可能。目前，国际沸石协会已批准超过260种沸石拓扑结构，每种结构都有一个唯一的三字母代码标识[24]。

BEA是一种大孔沸石，其特点是具有通过12元环窗口可进入的三维通道网络。其骨架源于两种不同多晶型A和B的无序共生[24]；因此，X射线衍射图谱呈现出较宽的反射峰。第三种多晶型，称为多晶型C（BEC结构类型），也可以单独存在，不发生共生，其形成有利于Ge原子替代部分硅原子的存在[25]。多晶型A具有手性，而多晶型B和C则没有。BEA是石化行业中一种重要的沸石，因为具有大孔径、较高酸度以及良好的热稳定性和水热稳定性[26]、[27]。

近年来，沸石作为一种引人注目的光子学应用材料类应运而生。Chu等人开发了一种沸石咪唑酯骨架-67（ZIF-67）可饱和吸收体，用于为Tm:YAP激光器产生Q开关脉冲[28]。在沸石单晶上生长单壁碳纳米管，创建用于两个光纤腔体中Q开关目的的可饱和吸收体，分别为掺镱光纤激光器和掺铥光纤激光器[29]。此外，Gao等人使用沸石咪唑酯骨架（ZIF-8）可饱和吸收体在Tm:YAP固态激光器中产生Q开关脉冲[30]。虽然沸石及其衍生物已在Q开关应用中得到一定程度的探索，但其在锁模方面的应用仍然相对未被深入研究。

本研究调查了煅烧BEA的非线性光学特性，并证明了其作为稳健可饱和吸收体的有效性。通过将SA集成到掺铥光纤激光器（TDFL）中，成功在1950.8?nm处产生了1.42?ps的锁模脉冲。该SA的调制深度为4.2%，饱和强度为0.72?MW/cm²。系统稳定性被监测了2?小时，波动极小。信噪比（SNR）约为58?dB进一步证实了TDFL的稳定性。

章节摘要

煅烧BEA的制备与表征

在本研究中，采用四乙基铵作为有机结构导向剂，按照已发表的方法[31]制备了BEA纳米晶体。将0.043?g铝粒（Sigma-Aldrich）溶解在4.540?g四乙基氢氧化铵（TEAOH）（35?wt%，Sigma-Aldrich）中，在密封瓶中搅拌过夜（溶液A），如图1所示。将约4.493?g TEAOH、4.590?g H₂O和2.316?g气相二氧化硅（Aerosil 200，Degussa）混合以获得溶液B。

煅烧BEA-SA的制备与表征

煅烧BEA-SA的制备从弧形光纤开始。使用抛光轮去除单模光纤（SMF）的包层，详细内容在之前的研究中已更详细地描述[32]。SMF在两侧固定，然后将抛光轮与光纤表面接触。将1.5?μm光源输入光纤，并用功率计监测SMF另一端的功率。随着包层被去除且抛光轮

TDFL腔体搭建

本实验中所使用的泵浦光源中心波长为1564?nm。该装置中的增益介质是一根5 m长的掺铥光纤（TDF），由OFS制造。其在1550?nm处的吸收系数为47.4?dB?m^-1，数值孔径为0.26。腔体使用波分复用器（WDM）来合路和分路特定波长的光，确保稳定的激光振荡。腔体中的光隔离器（ISO）允许光仅单向传播。如图7所示，一

结果与讨论

将泵浦功率提高至锁模阈值210?mW，随后对激光腔中的两个PC进行精细调节，从而建立了锁模。两个PC的引入允许对偏振状态进行更精确的控制，从而实现从连续波到锁模的转变。测量了脉冲的频谱分布，结果如图8(a)所示。如图所显示的，激光器输出波长为1950.8?nm，产生的

结论

本研究确立了煅烧沸石Beta（BEA）纳米粒子作为超快2?μm光子学高效可饱和吸收体（SA）的应用。通过在1950.8?nm处演示产生具有1.42?ps脉冲宽度和13.8?MHz重复频率的稳定锁模脉冲，以及约58?dB的高信噪比（SNR），验证了BEA在高端应用中的性能和运行可靠性。结果表明，BEA不仅是一种可行的

CRediT作者贡献声明

Kavintheran Thambiratnam：写作 – 审阅与编辑，验证。Shufeng Sun：写作 – 审阅与编辑，验证。Harith Ahmad：写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，形式分析，概念化。Chong Wu Yi：写作 – 原稿撰写，可视化，验证。Joe Win Chiam：写作 – 原稿撰写，调查，形式分析，数据整理。Manuel Sánchez-Sánchez：写作 – 审阅与编辑，验证，资源。

利益冲突声明

作者声明，不存在任何可能影响本文所述工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

我们感谢马来西亚高等教育部通过HiCoE PRC-2026拨款提供的财政支持，以及马来亚大学在RU001-2025A下的资助。我们还要感谢山东省双百计划人才项目在WSR2025056拨款下的支持。资金和支持还通过MCIN/AEI/10.13039/501100011033及"NextGenerationEU"计划下的PID2022–136321OB-C21和PID2022–138481NB-I00项目提供，由

Joe Win Chiam|Harith Ahmad|Chong Wu Yi|Raquel Garcia|Joaquín Pérez-Pariente|Manuel Sánchez-Sánchez|Kavintheran Thambiratnam|Shufeng Sun