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研究背景

超短脉冲光纤激光器具有峰值功率高、脉宽窄、光束质量好等特点，在医疗、光纤通信、机械精密加工等领域具有独特的应用价值。 作为被动锁模光纤激光器的重要组成部分，新型可饱和吸收体的研究成为近年来超快光子学领域的研究热点之一。 尽管石墨烯、黑磷和过渡金属二硫化物等二维材料已成功用于超短脉冲产生，但仍存在一些缺点限制了它们的实际应用。 因此，有必要进一步探索性能更好的低维材料来产生超短脉冲。

硒作为具有直接带隙的VI族半导体元素，在光伏、光电导和生物医学等领域有着广泛的应用。 因此，其一维分子链及相关光学性质成为研究热点之一。 然而，作为一种潜在的可饱和吸收体，Se可饱和吸收体的超快光子学应用尚未得到实验证实。

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抽象的

由于硒纳米链优异的光电特性，其在超快光子学中的应用备受关注，如环境监测、生物医学成像、非线性光产生和自由空间光通信等。 在这项工作中，通过将 Se 单质引入到 AlPO4-5 (AFI) 晶体的圆形一维通道中成功制备了 Se 纳米链，并系统地研究了 Se@AFI 作为可饱和吸收体的光学性质。 用于光纤激光器。 通过将Se@AFI复合材料集成到腔体中，成功获得了1.5 μm和1 μm的锁模脉冲，重复频率分别为13.16 MHz和14.74 MHz。 两个激光脉冲的信噪比均超过70 dB，表明脉冲具有较高的稳定性。 该工作不仅首次通过实验验证了Se@AFI可饱和吸收体的宽带可饱和吸收特性，为其在宽带超快光子学领域的研究和应用奠定了重要基础，对推动超快光子学研究具有重要意义。材料科学。 .

该工作以“Broadband Nonlinear Photonics in Zeolite-Based Selenium Chains”为题发表在Advanced Photonics Research杂志上。 深圳工业大学为第一完成单位。 深圳理工大学徐欣彤副教授为该论文的通讯作者。

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主要研究内容

图1 (a) Se@AFI制备过程； (b) 通道中的硒分子结构； (c) AFI通道结构

图 2 (a) Se@AFI 样品的光学图像； (b) 空 AFI 晶体的光学图像; (c) Se@AFI 晶体的 SEM 图； (d) Se@AFI 和空 AFI 晶体的 XRD 图； (e) Se@AFI 的拉曼光谱； (f) Se@AFI 的线性吸收光谱

图 1 显示了样品制备过程和相关结构。 基本过程如下：首先将烧尽后的AFI晶体和Se元素通过真空封口机密封在真空玻璃管中，然后将Se元素扩散到AFI晶体的一维圆形通道中400°C。 图2(a)-2(c)为样品形貌相关的表征数据，表明样品前后具有规则的形貌结构。 图2(d)通过对比实验前后样品的XRD图谱可知，热扩散法并未破坏AFI晶体的孔隙结构，Se元素成功进入AFI的孔道。 图 2(e) 显示了 236、258 和 267 cm -1 处的拉曼峰，其中 236 cm -1 对应于三角形硒分子 (t-Se)，258 cm -1 对应于螺旋链硒分子，267 cm -1对应于Se8环分子。

图3(a)掺铒、掺镱光纤激光器示意图； (b) 平衡双探测器测量的设置； Se@AFI SA可饱和吸收特性曲线，激发波长为c) 1560 nm和d) 1030 nm。点数：实测数据； 红线：拟合数据

图3(a)-3(b)是所用光学系统的结构示意图。 通过双平衡检测系统测量了Se@AFI在1560 nm和1030 nm附近的饱和吸收特性，如图3(c)-3(d)所示。 Se@AFI在1560 nm处的调制深度为7.7%，饱和强度为0.17 MW/cm 2 。 Se@AFI在1030 nm处的调制深度为3.5%，饱和强度为0.86 MW/cm 2 。 在实验中，损耗主要是由AFI晶体的散射和折射引起的。 这些结果表明，作为宽带可饱和吸收体，Se@AFI复合材料在超短脉冲光纤激光器中具有巨大的应用潜力。

图4(a)输出脉冲序列； (b) 频谱； (c) 自相关曲线； (d) 无线电频谱； (e) 腔内无 AFI 晶体的发射光谱

图5 锁模YDFL激光器的输出特性：(a) YDFL输出光谱的长期稳定性； (b) 输出功率

图4和图5是基于Se@AFI可饱和吸收体锁模的掺镱光纤激光器的输出特性图。 图4(a)是InGaAs光纤探测器和高精度示波器测得的类噪声锁模光纤激光器的脉冲序列，周期τ=67.8 ns。 图4(b)是光谱仪测得的泵浦源功率为500 mW的脉冲信号的光谱图，光谱分辨率为0.05 nm，表明光谱中心波长为1043 nm，3dB带宽为13.89 nm ，并且在平滑的频谱中没有“猫耳现象”，频谱宽而平滑，这是类噪声锁模脉冲所特有的。 同时，在图4（c）的自相关曲线中可以观察到一个大包络和一个相干峰，这证明锁模状态是类噪声锁模。 图 4(d) 显示脉冲的稳定性为 73 dB。 由于类噪声脉冲能量较大，目前研究中基于低维材料的类噪声脉冲稳定性较低光纤光谱仪的应用，甚至只有20 dB左右。 实验表明，AFI晶体可以有效地维持通道内Se分子的稳定性，从而使激光脉冲稳定。 当腔体为空 AFI 晶体时，激光器的输出光谱为连续光，如图 4(e) 所示。

图5显示不同时间测得的光谱波长和3dB带宽几乎相同，说明掺镱锁模光纤激光器具有重复性和长期稳定性。 图5(b)为掺镱锁模光纤激光器的输出功率随泵浦源功率的变化曲线，斜率效率为1.1%。

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总结与展望

本研究中，课题组采用热扩散法将Se单质引入AFI晶体的一维通道中，在400℃的扩散温度下制备Se@AFI主客体材料，研究其非线性光学性质和在快速光纤激光器中的应用。 结果表明，该材料作为一种宽带可饱和吸收体，在光纤激光器中具有良好的应用前景，且其制备工艺简单，重复性好，具有实际应用价值。 同时，该材料的制备过程可为读者在各个领域合成其他复合光学材料提供新的思路。

关于作者

许欣彤，硕士生导师，深圳市后备人才光纤光谱仪的应用，邮箱：xuxintong@sztu.edu.cn。 研究方向为新型光电材料、微纳光电器件与非线性光子器件、超快激光技术的开发与集成。 主持多项国家、省、市项目，发表论文30余篇，授权多项国家发明专利。

超快激光与微纳光电器件实验室依托深圳科技大学集成电路与光电芯片学院，专注于新型光电材料、微纳光电器件与非线性光子器件、超快激光的开发与集成技术。 欢迎有意向的博士后、研究生加盟。

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编辑| 徐睿

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