[论文解读] Mid-infrared ultra-short mode-locked fiber laser utilizing topological insulator Bi2Te3 nano-sheets as the saturable absorber

Ke Yin, Tian Jiang+4 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2015

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 25被引用 7

一句话总结

该论文展示了一种基于铋碲化物（Bi2Te3）纳米片作为可饱和吸收体的中红外超短脉冲光纤激光器，工作波长为2830 nm。通过利用拓扑绝缘体纳米片的宽带吸收特性和超快恢复时间，激光器实现了稳定的连续波锁模，脉冲宽度为6 ps，重复频率为10.4 MHz，平均输出功率最高达90 mW，标志着中红外超快光子学领域的重要进展。

ABSTRACT

The newly-emergent two-dimensional topological insulators (TIs) have shown their unique electronic and optical properties, such as good thermal management, high nonlinear refraction index and ultrafast relaxation time. Their narrow energy band gaps predict their optical absorption ability further into the mid-infrared region and their possibility to be very broadband light modulators ranging from the visible to the mid-infrared region. In this paper, a mid-infrared mode-locked fluoride fiber laser with TI Bi2Te3 nano-sheets as the saturable absorber is presented. Continuous wave lasing, Q-switched and continuous-wave mode-locking (CW-ML) operations of the laser are observed sequentially by increasing the pump power. The observed CW-ML pulse train has a pulse repetition rate of 10.4 MHz, a pulse width of ~6 ps, and a center wavelength of 2830 nm. The maximum achievable pulse energy is 8.6 nJ with average power up to 90 mW. This work forcefully demonstrates the promising applications of two-dimensional TIs for ultra-short laser operation and nonlinear optics in the mid-infrared region.

研究动机与目标

• 开发工作波长超过2.8 µm的中红外超短脉冲光纤激光器。
• 探索二维拓扑绝缘体（TIs）如Bi2Te3作为中红外波段宽带可饱和吸收体的可行性。
• 在氟化物光纤激光器中实现稳定锁模，生成亚皮秒量级脉冲。
• 评估基于TI的中红外激光系统中脉冲能量、平均功率和重复频率等性能指标。

提出的方法

• 激光腔采用氟化物玻璃光纤作为增益介质，由波长为1940 nm的Tm:光纤激光器泵浦。
• 通过机械剥离法合成拓扑绝缘体Bi2Te3纳米片，并将其沉积在光纤接头表面，实现与腔体的集成。
• 可饱和吸收体通过基于强度依赖性吸收的损耗调制实现被动锁模。
• 随着泵浦功率增加，激光器在连续波（CW）、Q开关和连续波锁模（CW-ML）三种工作模式下运行。
• 利用自相关仪和光谱分析仪测量脉冲特性，以确定脉冲宽度和中心波长。
• 通过调节泵浦功率和腔体对准，优化系统以实现稳定锁模。

实验结果

研究问题

• RQ1 Bi2Te3纳米片能否在中红外波段有效用作超短脉冲生成的可饱和吸收体？
• RQ2 在基于TI的可饱和吸收体的锁模氟化物光纤激光器中，可实现的脉冲参数（脉宽、重复频率、脉冲能量）是多少？
• RQ3 随着泵浦功率增加，激光器如何从连续波模式过渡到Q开关模式，再进入锁模模式？
• RQ4 Bi2Te3纳米片的宽带吸收特性和超快恢复时间在多大程度上实现了2.8–3 µm波段内稳定锁模？
• RQ5 此类系统可实现的最大平均输出功率和脉冲能量是多少？

主要发现

• 激光器实现了连续波锁模，重复频率为10.4 MHz。
• 测得的脉冲宽度约为6 ps，表明在中红外波段实现了超短脉冲生成。
• 锁模脉冲序列的中心波长为2830 nm，证实了激光器在中红外波段的工作。
• 最大平均输出功率达到90 mW，表明实现了高功率输出。
• 峰值脉冲能量测量值为8.6 nJ，表明能量提取效率较高。
• 随着泵浦功率增加，系统在连续波、Q开关和锁模模式下均表现出稳定运行。