[论文解读] Yb- and Er-doped fiber laser Q-switched with an optically uniform, broadband WS2 saturable absorber

M. Zhang, Guohua Hu+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2015

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 44被引用 31

一句话总结

本论文展示了基于溶液处理、光学均匀的少层二硫化钨（WS₂）可饱和吸收体（WS₂-SA）的自启动Q开关光纤激光器，在1030 nm（掺镱）和1558 nm（掺铒）波长下实现。其宽带亚带隙可饱和吸收特性归因于高长径比WS₂纳米片中的边缘诱导态，实现了微秒级脉冲、千赫兹重复率，脉冲能量最高达179.6 nJ。

ABSTRACT

We demonstrate a ytterbium (Yb) and an erbium (Er)-doped fiber laser Q-switched by a solution processed, optically uniform, few-layer tungsten disulfide saturable absorber (WS2-SA). Nonlinear optical absorption of the WS2-SA in the sub-bandgap region, attributed to the edge-induced states, is characterized by 3.1% and 4.9% modulation depths with 1.38 and 3.83 MW/cm2 saturation intensities at 1030 and 1558 nm, respectively. By integrating the optically uniform WS2-SA in the Yb- and Er-doped laser cavities, we obtain self-starting Q-switched pulses with microsecond duration and kilohertz repetition rates at 1030 and 1558 nm. Our work demonstrates broadband sub-bandgap saturable absorption of a single, solution processed WS2-SA, providing new potential efficacy for WS2 in ultrafast photonic applications.

研究动机与目标

• 开发一种用于超快光纤激光器的宽带、溶液处理型可饱和吸收体（SA），采用少层二硫化钨（WS₂）。
• 研究在近红外波长下低于其本征带隙的WS₂中亚带隙可饱和吸收的物理起源。
• 利用WS₂-SA在掺镱和掺铒光纤激光器中实现自启动Q开关操作。
• 阐明边缘态在二维过渡金属二硫属化合物（TMDs）中实现宽带可饱和吸收的作用。

提出的方法

• 通过块体WS₂的超声辅助液相剥离（UALPE）制备了自由悬挂、光学均匀的少层WS₂-PVA可饱和吸收体。
• 在1030 nm和1558 nm波长下采用Z扫描测量表征非线性光学吸收，结果显示调制深度分别为3.1%和4.9%，饱和强度分别为1.38 MW/cm²和3.83 MW/cm²。
• 将WS₂-SA集成到掺镱和掺铒光纤激光器的腔体内，实现被动Q开关。
• 通过偏振控制器和可调泵浦功率实现自启动Q开关，无需外部触发。
• 采用原子力显微镜（AFM）估算WS₂纳米片的高边缘表面积比（约1:6），支持边缘态假设。
• 与纯PVA薄膜对照实验对比，确认Q开关效应源于WS₂，而非聚合物基质。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低于其带隙的近红外波长下，少层WS₂中宽带亚带隙可饱和吸收的物理起源是什么？
• RQ2 溶液处理、光学均匀的WS₂-SA能否在掺镱和掺铒光纤激光器中实现自启动Q开关？
• RQ3 WS₂纳米片的边缘表面积比如何影响其在亚带隙区域的可饱和吸收行为？
• RQ4 WS₂中的可饱和吸收是否源于边缘诱导态、缺陷态或激子效应？

主要发现

• 在1030 nm波长下，WS₂-SA表现出3.1%的调制深度和1.38 MW/cm²的饱和强度；在1558 nm波长下，分别为4.9%和3.83 MW/cm²。
• 在1030 nm波长下实现了自启动Q开关脉冲，重复频率约为10 kHz，脉宽约为1.2 μs。
• 在1558 nm波长下，激光器产生重复频率约为10 kHz、脉宽约为1.0 μs的Q开关脉冲。
• 最大输出功率达到16.4 mW，对应最高泵浦功率下的脉冲能量为179.6 nJ。
• 与纯PVA薄膜的对照实验确认，Q开关效应源于WS₂组分，而非聚合物基质。
• UALPE剥离的WS₂纳米片具有较高的边缘表面积比（约1:6），支持边缘诱导亚带隙态是宽带可饱和吸收主要来源的假设。