MoS₂/SiO₂ Komposit Sättigbarer Absorber Ermöglicht Sub-Nanosekunden Modengekoppelten Er-Dotierten Faserlaser

Zusammenfassung

Der zweidimensionale Halbleiter MoS₂ hat sich als vielversprechendes Material für Ultrakurzphotonik aufgrund seiner breitbandigen sättigbaren Absorption und hoher nichtlinearer dritter Ordnung etabliert. In dieser Studie fertigen wir ein neuartiges MoS₂-dotiertes Sol-Gel-Glas an, das ein MoS₂/SiO₂-Komposit bildet. Das Komposit weist eine Modulations Tiefe von 3,5 % und eine Sättigungsintensität von 20,15 MW cm⁻² auf, während es eine optische Schadensschwelle von 3,46 J cm⁻² beibehält – deutlich höher als konventionelle Halbleiter-Sättigbare-Absorber-Spiegel. Durch Einbau des Komposits in einen Ringresonator Er-dotierten Faser (EDF) Laser erreichen wir zwei distinkte Modenkopplungs-Regime: einen konventionellen Solitonzustand bei 90 mW Pumpleistung, der 780 fs Pulse liefert, und einen stabilen Langpuls-Zustand über 100–600 mW Pumpleistung, der 1,21 ps Pulse mit maximaler durchschnittlicher Ausgabe von 5,11 mW produziert. Diese Ergebnisse demonstrieren die Eignung des Komposits als robuster, hochschadensschwellen Sättigbarer Absorber für Faserlaser-Anwendungen.

Einleitung

Nichtlineare optische Materialien basierend auf zweidimensionalen (2D) Strukturen bilden die Grundlage moderner optoelektronischer Geräte. Während Graphen sich als effektiver breitbandiger Modulator bewiesen hat, zeigte jüngste Arbeit, dass Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs) wie MoS₂ überlegene sättigbare Absorption und höhere nichtlineare dritte Ordnung bieten können. MoS₂ wurde in gepulste Laser bei Wellenlängen von 635 nm bis 2950 nm integriert, erreichend Pulsdauern von sub-Femtosekunden bis mehrere Pikosekunden und arbeitend bei hohen Wiederholraten. Traditionelle Fertigungsmethoden – mechanische Exfoliation, Flüssigphasen-Exfoliation, CVD, PLD und Magnetron-Sputtern – haben jeweils Einschränkungen in Skalierbarkeit, Defektdichte oder thermischer Robustheit. Bestehende MoS₂ Sättigbare Absorber (SAs) werden typischerweise durch Einbetten polymer-embetteter Nanomaterialien zwischen Faserferrulen oder Abscheidung auf verjüngten/d-förmigen Fasern integriert, doch diese Ansätze leiden entweder unter niedrigen Schadensschwellen oder komplexen Verpackungsanforderungen. Um diese Herausforderungen zu adressieren, führen wir ein MoS₂/SiO₂-Komposit ein, hergestellt via Sol-Gel-Technik, das die optische Kompatibilität von Silica mit der intrinsischen nichtlinearen Antwort von MoS₂ kombiniert, resultierend in einem langlebigen, hochschadensschwellen SA.

Methoden

MoS₂/SiO₂ Komposit Herstellung

MoS₂-Nanosheets wurden zunächst in deionisiertem Wasser durch Flüssigphasen-Exfoliation dispersiert: 1 mg MoS₂ wurde 6 h bei 90 W sonifiziert, gefolgt von Zentrifugation zur Erhaltung einer stabilen Lösung. Separiert wurden Tetraethoxysilan (TEOS), Ethanol und Wasser gemischt, um den Sol-Gel-Vorläufer zu bilden. Die MoS₂-Dispersion wurde mit der TEOS-Mischung kombiniert und gerührt, dann mit HCl angesäuert, um einen niedrigen pH aufrechtzuerhalten. Hydrolyse und Polykondensationsreaktionen produzierten ein MoS₂-dotiertes Silica-Sol, das bei 50 °C für 5 h gerührt wurde, um Rissbildung und Aggregation zu verhindern. Das Sol wurde 48 h bei Raumtemperatur gealtert, dann in einer 60 °C Kammer für eine Woche getrocknet, was ein festes MoS₂/SiO₂-Glas ergab.

Faserlaser-Resonator

Der Ringresonator EDF-Laser (13,3 m Gesamtlänge) incorporierte eine 1,2-m Er-dotierte Faser als Gewinnmedium, eine fasergekoppelte Laserdiode (650 mW max) als Pumpenquelle und einen Wellenlängenteilungsmultiplexer zum Kombinieren von Pumpen- und Signal. Ein polarisationsunabhängiger Isolator sicherte unidirektionalen Betrieb, und ein Polarisationscontroller justierte den Intrakavitätszustand. Das MoS₂/SiO₂-Komposit wurde zwischen zwei Faserferrulen eingeklemmt, und ein 10/90 Koppler extrahierte den Output. Der Resonator wurde optimiert, um sowohl konventionelle Soliton- als auch Langpuls-Modenkopplungs-Regime zu unterstützen.

Ergebnisse und Diskussion

Komposit-Charakterisierung

Optische Inspektion zeigt ein braunes Komposit, indikativ für MoS₂-Integration. REM-Bilder offenbaren eine gleichmäßige Dispersion von MoS₂-Nanosheets in der Silica-Matrix. Energiedispersive Röntgenspektroskopie bestätigt die Anwesenheit von Mo, S und Si. Balancierte Zwillingsdetektor-Messungen an einem 1550 nm, 500 fs, 23 MHz Laser ergeben eine Modulations Tiefe von 3,5 % und Sättigungsintensität von 20,15 MW cm⁻². Ein Femtosekunden-Ti:Saphir-Laser (800 nm, 250 fs) testet die Schadensschwelle, die bei 3,46 J cm⁻² gemessen wird – signifikant höher als typische SESAMs (≈0,5 mJ cm⁻²).

Modengekoppelter Faserlaser-Leistung

Bei 90 mW Pumpleistung zeigt der Resonator konventionelle Soliton-Modenkopplung mit einer 6 nm 3-dB Bandbreite zentriert bei 1557 nm. Das Radiofrequenz-Spektrum zeigt eine fundamentale Repetitionsrate von 15,76 MHz mit 65 dB SNR. Autokorrelation offenbart 1,21 ps FWHM Puls, entsprechend 780 fs sech² Pulsen. Erhöhung der Pumpe auf 100 mW destabilisiert das Soliton-Regime, was ein schmales Betriebsfenster anzeigt.

Durch Anpassung des Polarisationscontrollers entsteht ein zweiter stabiler Modenkopplungs-Zustand, der von 100 bis 600 mW persistiert. Das optische Spektrum verbreitert sich mit Pumpleistung, behält eine 4 nm 3-dB Breite bei 600 mW bei. Die Pulsdauer erstreckt sich auf 1,97 ps FWHM (1,21 ps sech²). Die Ausgangsleistung skaliert linear mit der Pumpe, erreichend 5,11 mW bei 600 mW. Dies demonstriert die Fähigkeit des Komposits, sowohl ultrakurze als auch piko-sekunden Pulse über einen weiten Leistungsbereich zu unterstützen.

Fazit

Wir haben erfolgreich ein MoS₂/SiO₂-Komposit via niedrigtemperatur Sol-Gel-Prozess hergestellt, erreichend eine Modulations Tiefe von 3,5 % und Sättigungsintensität von 20,15 MW cm⁻². Integriert in einen EDF-Laser liefert das Komposit 780 fs Pulse bei 90 mW und 1,21 ps Pulse mit 5,11 mW durchschnittlicher Leistung über 100–600 mW Pumpe. Diese Ergebnisse bestätigen die hohe Schadensschwelle, einfache Integration und Vielseitigkeit des Komposits, positionierend es als vielversprechenden Kandidaten für nächste Generation ultrakurzer photonischer Geräte.

Abkürzungen

2D

Zweidimensional

CVD

Chemical Vapor Deposition (Chemische Gasphasenabscheidung)

EDF

Er-doped Fiber (Er-dotierte Faser)

EDS

Energy Dispersive X-ray Spectrometer (Energiedispersives Röntgenspektrometer)

FWHM

Full Width at Half Maximum (Halbwertsbreite)

I_sat

Saturable Intensity (Sättigungsintensität)

LD

Laser Diode (Laserdiode)

LPE

Liquid Phase Exfoliation (Flüssigphasen-Exfoliation)

ME

Mechanical Exfoliation (Mechanische Exfoliation)

MSD

Magnetron Sputtering Deposition (Magnetron-Sputterabscheidung)

PC

Polarization Controller (Polarisationscontroller)

PI-ISO

Polarization Independent Isolator (Polarisationsunabhängiger Isolator)

PLD

Pulsed Laser Deposition (Pulslaserabscheidung)

SA

Saturable Absorber (Sättigbarer Absorber)

SESAM

Semiconductor Saturable Absorber Mirror (Halbleiter-Sättigbarer-Absorber-Spiegel)

SNR

Signal-to-Noise Ratio (Signal-Rausch-Verhältnis)

TEOS

Tetraethoxysilane (Tetraethoxysilan)

TMD

Transition Metal Dichalcogenide (Übergangsmetall-Dichalkogenid)

WDM

Wavelength Division Multiplexer (Wellenlängenteilungsmultiplexer)

ΔT

Modulation Depth (Modulations Tiefe)