图1 含缺陷层一维光子晶体实现吸收增强
1. 导读
高重频飞秒激光器凭借低噪声、高稳定性等优点，在光通信、频率梳、高速光采样和任意波形产生等方面有着重要的应用。尤其在激光冷加工领域，飞秒时间尺度下，热能的传导范围极小，因此可以实现高质量的加工效果。然而，利用高效的二维材料实现稳定的GHz重复频率飞秒脉冲是非常困难的，这主要受限于有机高分子薄膜高温稳定性差。
针对这些问题，近日长春理工大学马晓辉研究员团队联合深圳大学张晗教授团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了一种新型结构的可饱和吸收体，利用一维光子晶体的电场非均匀分布特性，在二维材料（Bi1.6Sb0.4Te3）缺陷层位置处实现了电场增强，提高了二维材料的吸收能力（如图1）。并进行了一系列可见光和近红外的非线性测试。团队在数值仿真模拟基础上，利用泵浦-探针技术测试了Bi1.6Sb0.4Te3的激发态能级结构及激发态能量驰豫过程，进一步测试了Bi1.6Sb0.4Te3一维光子晶体的开孔z扫描曲线。所有测试结果都证明了非对称式含缺陷层一维光子晶体是一种优良的可饱和吸收体，这也充分证明了该设计方法的有效性。
该研究成果不仅为实现高重频超短脉冲光纤激光器提供了一种新的技术方案，并为未来基于层状二维材料的高功率器件设计打开了新思路。
2. 研究背景
谐波锁模(HML)技术是实现高重频脉冲输出的有效手段之一。根据光脉冲的面积定理，峰值功率限制效应导致量化孤子脉冲在泵浦功率显著增加时发生分裂，进而增加了锁模脉冲的重复频率。目前主要有几种技术实现谐波锁模脉冲输出，分别是基于全光纤结构的非线性偏振演化（NPE）、非线性放大环形镜（NALM）等技术以及基于真实可饱和吸收体（SESAM、石墨烯等）的被动锁模技术。由于光纤对外界条件极为敏感，温度、应力和应变的变化会影响光纤的非线性特性，因此限制了其在复杂环境中的应用。SESAM虽然有效解决了稳定性差的问题，但是其加工工艺复杂，外延生长设备成本高。
为解决这些实际问题，科学家们探索了大量的新型二维层状材料，通过水热或机械剥离等方法，可以低成本地获取高性能可饱和吸收体。相比于SESAM，二维层状材料通常具有宽谱吸收特性，因此可以广泛应用于近红外光纤激光器。二维材料通常与有机高分子薄膜（PVA、CMC-Na等）进行复合，从而获得超薄的基片，并转移到跳线端面作为可饱和吸收体，实现超短脉冲输出。然而有机高分子薄膜高温稳定性差，因此该类可饱和吸收体很难在高功率下实现稳定的高重频锁模脉冲输出。如何取代有机高分子薄膜，并在高功率下实现稳定的谐波脉冲输出是当下面临的重要科学问题。
3. 创新研究
针对上述挑战，研究人员基于一维光子晶体结构设计了一种新型结构的可饱和吸收体。利用一维光子晶体的光场分布特性，将二维材料平铺在光场增强位置（见图1），进而实现了吸收的显著增强。研究人员首先利用泵浦探测技术分析了Bi1.6Sb0.4Te3的超快载流子弛豫过程，同时借助开孔z扫描技术确定了该材料的良好非线性吸收特性（见图2）。利用莱宝蒸镀技术，获得了非对称式含缺陷层一维光子晶体（见图3）
图2 Bi2Te3基材料的非线性吸收特性
图3 非对称式含缺陷层一维光子晶体的制备
团队进一步将非对称式一维光子晶体应用于1.56微米超快光纤激光器中，在泵浦功率为28.28mW时，获得了基频（38.6MHz）锁模脉冲，其信噪比大于60dB，进一步增加泵浦功率，分别在131.99mW、173.98mW、192.65mW、275.99mW以及317mW的泵浦功率下获得了309MHz、541MHz、734MHz、1935MHz以及3820MHz的谐波脉冲（见图4）。对于3.82GHz的谐波脉冲，其信噪比依然高达49dB，说明该结构的可饱和吸收体具有良好的稳定性。
图4 谐波脉冲光谱及时域谱
4. 应用与展望
研究团队提出的非对称式含缺陷层一维光子晶体结构可以显著地提高材料的非线性特性，并且实现稳定的高重频超短脉冲输出，这一工作有力地证明了非对称式含缺陷层一维光子晶体结构可以有效地应用于各波段的高重复频率脉冲激光器，同时有望应用于各类高功率光学器件。这也为材料非线性光学芯片在激光加工领域的应用提供了新的思路。
该研究成果以“Gigahertz Femtosecond Laser By a Novel Asymmetric One-Dimensional Photonic Crystal Saturable Absorber Device with Defect Layer”为题在线发表在Nanophotonics。
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