《Frontiers of Optoelectronics》期刊近日发表了蒙纳士大学鲍桥梁教授课题组撰写的基于等离子体半导体材料磷化亚铜纳米片的飞秒锁模光纤激光器的论文，该成果使用磷化亚铜纳米片大规模制备可饱和吸收器件，实现了高性能的飞秒锁模脉冲输出，该技术将进一步推动纳米材料在光纤激光器中的实用化应用。

Highly stable and repeatable femtosecond soliton pulse generation from saturable absorbers based on two-dimensional Cu_3-xP nanocrystals

Haoran MU, Zeke LIU, Xiaozhi BAO, Zhichen WAN, Guanyu LIU, Xiangping LI, Huaiyu SHAO, Guichuan XING, Babar SHABBIR, Lei LI, Tian SUN, Shaojuan LI, Wanli MA, Qiaoliang BAO

Front. Optoelectron.. 2020, 13 (2): 139-148. 

扫描二维码阅读全文

研究背景

光纤被动锁模激光器具有结构简单紧凑，光束质量高，成本效益高，兼容性好等优点，广泛应用于光纤通信、材料加工和医学手术等不同领域。工业上，人们通常使用半导体量子阱材料，制备半导体可饱和吸收镜，用于实现光纤激光器锁模。但是，这些半导体量子阱具有许多缺点，例如复杂且昂贵的制造工艺，热损伤阈值低等。等离子体半导体纳米晶体由于在局部表面等离子体共振频率区域具有非线性光学增强作用，因此在超快光子学中具有用于可饱和吸收器件的巨大潜力。此前，鲍桥梁教授课题组发现，自掺杂胶体磷化亚铜（Cu_3-xP）纳米晶体在1550纳米处具有超快的动力学响应（~130 fs）和较大的光学非线性（光调制深度>18%），并实现了1.5 μm高能量Q开关脉冲输出。与其他纳米材料相比，这种等离子体半导体纳米晶体具有制备简单和成本低廉等优势，但是其重复性、稳定性以及是否适合工业生产，尚未得到充分研究。

在本论文中，使用“一步法”合成的Cu_3-xP纳米晶体，通过旋涂制备可饱和吸收器件。该器件耦合进光纤激光器中，和腔内激光发生强烈的倏逝场相互作用，在1560 nm产生高质量的锁模脉冲和Q开关脉冲。锁模光谱的3 dB带宽高达7.3 nm，相应的脉冲持续时间为423 fs。调Q脉冲的重复率高于80 kHz，最大脉冲能量超过120 µJ。此外，作者还实现了饱和吸收器件的小批量制备。同一批次制备的20个器件，全部都可以生成具有输出特性一致的稳定锁模和Q开关脉冲，展示出良好重复性和稳定性。该工作表明，基于等离子体纳米晶体的饱和吸收体材料，在超短或高功率脉冲生成以及其他非线性光子应用方面具有非常好的前景。

内容简介

本文展示了蒙纳士大学鲍桥梁教授课题组基于等离子体半导体材料磷化亚铜纳米片的飞秒锁模光纤激光器技术：基于磷化亚铜纳米晶体材料，小批量制备高性能可饱和吸收器件，锁模性能优异，脉冲输出重复性好，稳定性高。

图文导读

图1. Cu_3-xP纳米晶体的表面形貌和材料表征。（a）Cu_3-xP纳米晶体的扫描电镜照片（比例尺：100 nm）和单个Cu_3-xP纳米片的透射电镜照片（插图比例尺：10 nm）。 （b）原子力显微镜照片（比例尺：1 µm）。 （c）Cu_3-xP纳米晶体的光吸收光谱。 （d）XRD图谱证明Cu_3-xP纳米片的六方型结构。（e）TOP前驱体和Cu_3-xP纳米晶体的1H 核磁共振光谱。（f）Cu_3-xP纳米晶体的示意图。（g）Cu_3-xP纳米晶体聚合物的光学图像。（h）对应的聚合物荧光成像照片（比例尺：1 µm）。（i）Cu_3-xP纳米晶体的荧光光谱

图2. 基于不同Cu_3-xP纳米晶体浓度的吸收器件的光学调制性能测试。插图为涂覆有纳米晶体材料的D-形光纤的光学显微镜照片

图3. 高性能锁模脉冲输出结果。（a）典型的锁模输出光谱，光谱带宽7.3 nm。 （b）锁模脉冲序列。 （c）自相关脉冲，脉冲宽度423 fs。 （d）射频光谱，锁模脉冲具有高信噪比。（e）长期稳定性测试，激光器连续工作6小时，输出光谱保持不变

图4. Q开关脉冲输出结果。（a）调Q光谱。 （b）调Q脉冲序列。 （c）单个Q开关脉冲，脉冲宽度1.78 µm。 （d）基频的射频光谱（插图：宽带RF光谱）。 （e）脉冲重复频率和持续时间与泵浦功率的关系。 （f）输出功率和单脉冲能量与泵浦功率的关系

图5. 同一批次制备的磷化亚铜纳米晶体锁模和Q开关器件，均能稳定工作且性能指标相似。（a）锁模输出光谱带宽在7 nm左右。调Q输出光谱带宽在1.2 nm左右.（b）锁模脉冲工作波长约1569 nm，调Q脉冲工作波长约1562 nm

PI简介

鲍桥梁 2016年受聘为蒙纳士大学材料科学与工程系副教授（tenure），入选澳大利亚科研委员会未来研究员奖励计划。致力于研究石墨烯光子学和光电子器件，以及受限空间的光与物质相互作用与极化激元（等离子体极化激元、激子极化激元和声子极化激元等），研究工作曾入选2018中国光学十大进展（基础研究类）。已在Nature，Nature Materials，Nature Photonics，Nature Chemistry，Light: Science and Applications等期刊发表论文200余篇, 2018年和2019年Clarivate Analytics高被引学者。