硫化钼锁模激光器研究进展

孟路平,徐 慧,邹淑珍,王令武,史 萌,苏富芳,张 玲

(1.曲阜师范大学物理工程学院,山东 曲阜 273165;2. 中国科学院半导体研究所全固态光源实验室,北京 100083)

1 引 言

随着超快激光探测应用的兴起以及对高峰值功率的追求,人们对激光光束的脉宽提出了更高的要求。锁模激光器可以产生皮秒或飞秒级的超短脉冲,在生物医学、基础科学、能源及国防等领域中具有重要的应用[1-6],尤其在柔性电路板制造、晶圆切割、心血管支架及太阳能电池制造等激光精细加工领域具有广泛的应用。被动锁模激光技术是获得超快激光的有效方法。在被动锁模激光器的研究中,锁模的关键元件—可饱和吸收体的研究至关重要[7-9]。半导体可饱和吸收镜是应用成熟的锁模元件。但是半导体可饱和吸收镜的带宽窄,并且其制备需要昂贵的外延生长技术和复杂的后期处理过程,以减少恢复时间[10]。因此,开发新颖、具有更好光学性能的锁模材料,对被动锁模激光器的研究具有重要的研究意义。

近年来,在凝聚态物理领域引起普遍关注的新型二维材料如硫化钼作为新型可饱和吸收体的研究备受关注[11-15]。硫化钼属于过渡金属硫化物的一种,具有二维的层状结构。单层的MoS2是两层硫原子夹着一层钼原子的“三明治”夹心结构,层与层之间靠范德华力结合在一起[16-19]。块状MoS2材料是间接带隙材料,带隙宽度1.29 eV(961nm),单层MoS2材料是直接带隙材料,带隙宽度～1.80 eV(689nm),MoS2材料中引入适当的缺陷,带隙宽度范围可达到1.8～0.8 eV(1550nm)。因此硫化钼可饱和吸收体具有从可见光到近红外波段的宽带可饱和吸收特性。

2 硫化钼锁模激光器研究进展

基于硫化钼可饱和吸收体的锁模激光器主要包括光纤锁模激光器和固体锁模激光器[20]。

2.1 硫化钼光纤锁模激光器

光纤激光器的单程增益较高,可以容忍较大的非饱和损耗,因此关于硫化钼光纤锁模激光器的报导较多。

韩国延世大学的 R. Khazaeizhad 等用化学气相沉积法(CVD方法)制备的多层硫化钼可饱和吸收体在掺铒光纤激光器中实现了637 fs的锁模激光运转[21]。实验装置如图1所示。实验中对硫化钼吸收体锁模的关键参数进行测试,其调制深度为2.5%。在正色散域获得了稳定的耗散孤子脉冲输出,输出的中心波长是1563 nm,光谱带宽是23.2 nm,重复频率26.02 MHz,脉冲宽度为4.98 ps；通过调整腔内的总色散,在反常色散域同样获得了孤子脉冲,中心波长1568 nm,光谱带宽12.38 nm,重复频率33.48 MHz,脉宽637 fs。

图1 硫化钼掺铒光纤激光器实验装置Fig.1 Experimental setup of MoS2 erbium-doped fiber laser

2017年,巴西麦肯锡教会大学的E. J. A IUB等采用机械剥离方法(MHE)制备的硫化钼可饱和吸收体放置在D形光纤上,在掺铒光纤激光器中获得了波长1560 nm、带宽20.5 nm、重复频率14.53 MHz的窄脉宽200 fs光纤锁模激光输出[22]。硫化钼可饱和吸收体的调制深度是0.2%,非饱和吸收99%。图2为锁模激光的谱线宽度及脉冲宽度图。

图2 锁模激光的谱线宽度及脉冲宽度Fig.2 Spectral width and pulse width of mode-locked laser

2014年，深圳大学的 H. Zhang 等用 MoS2水热剥离方法(HTE方法)制备的硫化钼可饱和吸收体,如图3所示,在掺镱光纤激光器中通过将MoS2可饱和吸收体插入环形腔,获得了中心波长1054.3 nm 脉宽800 ps 光谱宽度2.7 nm的光纤锁模激光输出[23]。使用开孔Z扫描和平衡检测测量技术来研究几层MoS2的宽带可饱和吸收特性。对MoS2可饱和吸收体的调制深度和饱和通量进行测量。实验证明硫化钼可饱和吸收体在从可见光到近红外波段有宽的可饱和吸收特性。

图3 基于硫化钼的掺镱光纤激光器实验装置Fig.3 Experimental setup of ytterbium-doped fiber laser based on MoS2

电子科技大学的 H. D. Xia等采用CVD法制备了多层高质量硫化钼可饱和吸收体,在掺铒光纤激光器中实现了波长1568.9 nm、光谱宽度2.6 nm、脉冲宽度1.28 ps、重复频率8.288 MHz的孤子锁模激光输出[24]。MoS2的调制深度为35.4%,非饱和损耗为34.1%,饱和通量为0.34 MW/cm2。锁模激光的光谱和脉宽如图4所示。

图4 光纤锁模激光的谱线宽度及脉冲宽度Fig.4 Spectral width and pulse width of fiber mode-locked laser

2015年，上海交通大学的 Z. Tian 等用液相剥离法(LPE法)制备多层硫化钼可饱和吸收体,在掺铥光纤激光器线性腔中获得输出功率150 mW波长2 μm的光纤锁模激光[25]。锁模激光的脉宽为 843 ps,重复频率为9.67 MHz,光谱宽度为17.3 nm,单脉冲能量为15.5 nJ。MoS2吸收体的调制深度为13.6%,饱和通量为23.1 MW/cm2。

图5 基于硫化钼吸收体的线性腔掺铥光纤激光器Fig.5 Experimental setup of thulium-doped fiber laser based on MoS2

2016年,中国科学院西安光学精密机械研究所的Y. G. Wang 研究组报导了基于新型硫化钼吸收体的铒掺杂的光纤锁模激光器。MoS2薄膜的制备是通过将MoS2、水、乙醇的混合物沉积在D型光纤上。对MoS2吸收体的锁模参数进行测量,非饱和损耗是13.3%,饱和通量是110 MW/cm2,调制深度是3.4%。实验获得了光谱宽度11.7 nm、脉冲宽度116 ps、重复频率7.45 MHz、输出功率6.91 mW的耗散孤子锁模脉冲[26]。

图6 示波器上锁模激光的脉冲序列Fig.6 The pulse train on oscilloscope of mode-locked laser

华南师范大学的 H. Liu 等用基于聚乙烯醇的硫化钼可饱和吸收体,在掺铒光纤环形激光器中获得了脉冲宽度710 fs,中心波长1569.5 nm 重复频率12.09 MHz 掺铒光纤锁模激光。通过调节腔的色散,获得了脉冲宽度710 fs～1.46 ps的锁模脉冲[27]。MoS2吸收体的饱和通量为34 MW/cm2,调制深度为4.3%。

图7 硫化钼的非线性可饱和吸收曲线Fig.7 Nonlinear saturable absorption curve of MoS2 saturable absorber

2.2 硫化钼固体锁模激光器

2016年,山东大学的C. Feng等用真空过滤方法制备的硫化钼可饱和吸收体,在 Nd3+∶YVO4晶体中实现了波长1064.2 nm、重复频率 88.3 MHz 和脉冲宽度 12.7 ps的锁模激光运转[28]。实验采用了W型谐振腔。在泵浦功率为 2.1 W时获得的最大输出功率为 89 mW,其单脉冲能量和峰值功率分别为 1 nJ和83.3 W。MoS2吸收体的调制深度测量为7%,饱和通量为847 nJ/m2。

图8 基于硫化钼的固体锁模实验装置图Fig.8 Experimental setup of solid-state mode-locked laser based on MoS2

图9 锁模激光的输出功率图Fig.9 The output power of mode-locked laser

2017年,中国科学院半导体研究所的W. F. Zhao等用CVD方法制备了单层硫化钼可饱和吸收体,其调制深度为2%,非饱和损耗为5%,1064 nm波段的激光透过率为92.9%。在Nd∶YVO4激光器中实现了重复频率79.5 MHz、单脉冲能量3.7 nJ、输出功率为295 mW的固体锁模激光输出[29]。实验结果表明由于该材料具有大尺寸、高透过率、低的非饱和损耗和高的损伤阈值,非常适合应用于固体锁模激光器。输出的锁模脉冲波形如图10所示。

(a)

(b)图10 基于硫化钼吸收体的固体锁模激光脉冲序列Fig.10 The pulse train of solid-state mode-locked laser based on MoS2

3 硫化钼激光器的主要性能

表1是基于硫化钼可饱和吸收体的锁模激光器性能指标。从表1可以看到:(1)硫化钼可饱和吸收体的制备方法主要包括CVD、THE、LPE和真空过滤方法等,实验中一般采用的是透射型的硫化钼吸收体；(2)锁模激光脉冲宽度从皮秒到飞秒,工作波长包括1 μm、1.5 μm和2 μm；(3)基于硫化钼的光纤锁模激光器主要是Er掺杂、Yb掺杂、Tm掺杂等,谐振腔包括环形腔和线性腔,由于光纤激光器非线性效应的影响,光纤锁模激光器的输出功率一般都比较低；(4)固体锁模激光器一般采用的是多镜折叠腔结构。

表1 基于硫化钼可饱和吸收体的锁模 激光器性能指标Tab.1 The performance parameters of mode-locked laser based on MoS2 saturable absorber

4 结 论

综上所述,硫化钼是一种比较有前景的可饱和吸收体,在被动锁模激光领域具有重要的意义。因此,完善现有制备工艺、探索新的制备方法,实现性能可控、高质量、高损伤阈值硫化钼的制备,从而实现基于硫化钼的高功率被动锁模激光运转具有重要的意义。对硫化钼材料进行全面而深刻的超快非线性光子学性质研究是光子学领域里不可或缺的重要环节,是光子信息器件和技术发展的原动力之一。