Photon. Res.主编推荐奖：基于异质结材料的可饱和吸收体

来源：中国激光

光纤激光器因具有光束质量好、结构紧凑、成本低和兼容性好等优势被广泛应用于光通信、激光医疗手术、激光加工和激光雷达等领域。其中，基于可饱和吸收体（SA）的被动锁模光纤激光器更是因为其稳定性优于采用非线性偏振旋转技术、非线性光放大环形镜等技术而成为目前实现超短脉冲输出的有效途径之一。半导体可饱和吸收镜（SESAM）作为目前比较成熟的一种SA器件，虽然使用简便、参数设计灵活，但是其复杂的制作工艺、低的损伤阈值、较窄的吸收带宽和昂贵的价格，制约着锁模激光器的进一步发展和应用。

随着纳米材料技术的发展，近年来具有界面效应和小尺寸效应的二维材料作为SA引起了人们的广泛关注。自从石墨烯材料被成功制备和应用以来，对二维材料非线性光学特性的研究便成了一股热潮。具有强非线性的拓扑绝缘体、较高损伤阈值的过渡金属硫化物和高电子迁移率的黑磷等材料因为各自不同的物理化学性质而在相应的领域中表现出独特的优势。随着应用研究的不断发展，人们迫切需要能用于更高功率超短脉冲激光输出的器件。作为锁模激光器的核心器件之一，研究并改良SA的性能，无疑是实现高功率超短脉冲激光输出的重要突破口。但从已有的研究结果来看，仅靠某一方面具有特殊优势的单一二维材料，很难避免应用的局限性，因此制备具有强非线性、超快恢复时间和高损伤阈值的SA便成为人们的新诉求。

针对该问题，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室魏志义研究员课题组（L07组）与北京邮电大学等单位合作，通过制备MoS2和Sb2Te3异质结材料，并综合过渡金属硫化物及拓扑绝缘体各自的优势，得到了兼具强非线性、超快恢复时间和高损伤阈值的SA（图1），并成功应用于光纤锁模激光器（图2）。相关研究结果发表于Photonics Research 2018年第6卷第3期（Wenjun Liu, et al., Optical properties and applications for MoS2 -Sb2Te3 -MoS2 heterostructure materials ）。

图1：兼具强非线性、超快恢复时间和高损伤阈值的MoS2-Sb2Te3-MoS2异质结可饱和吸收体结构示意图。

图2：光纤锁模激光系统的实验示意图。

第一性原理计算表明，与单一的MoS2或Sb2Te3材料相比，MoS2-Sb2Te3-MoS2异质结构能有效提高弛豫时间和载流子浓度。基于该理论结果，实验制备的MoS2-Sb2Te3-MoS2异质结SA不仅继承了拓扑绝缘体的强光学非线性，而且其损伤阈值有了大幅度的提高。此外，该MoS2-Sb2Te3-MoS2异质结SA用于光纤激光器也得到了稳定的调Q和锁模输出。其锁模脉冲的脉宽低至286 fs, 是已见报道中基于异质结SA的光纤激光器中的最好结果。这表明所制备的MoS2-Sb2Te3-MoS2异质结SA不仅能够大幅度提高可饱和吸收体的损伤阈值，承受更高功率的激光运转工作，而且在实现超短脉冲方面具有独特优势，有利于实现飞秒脉冲激光的稳定运行。

该工作不仅为制备高质量、高可控性的二维材料提供了一种新的思路，而且所制备的异质结构材料具有良好的光学性能，是可以应用于光子器件中的具有综合优点的材料。通过聚焦异质结材料的比例和层数影响非线性效应的研究，有望进一步减少SA的非饱和损耗，从而提高光子器件的效率。