高调制深度的铋/N掺杂碳纳米复合材料，可实现Tm–Ho光纤激光器中的谐波锁模脉冲

《Optical Fiber Technology》：High-Modulation-Depth Bismuth/N-doped carbon nanocomposite enabling harmonic Mode-Locking pulses in Tm–Ho fiber laser

本研究开发了一种BiNP/NC纳米复合材料，集成于弧形光纤作为高调制深度（33.3%）的饱和吸收体，在铥-镱双泵光纤激光器中实现了1897nm中心波长的基频-谐波锁模脉冲（脉宽1.22ps，SNR52.4dB），并通过泵浦功率提升至12次谐波，长期稳定运行。该材料为近2微米超快光子学提供了高性能吸收体。

　　

N.A.M. Rusni|H. Ahmad|I.S. Imaduddin|Mousa Hussein

马来西亚马来亚大学光子研究中心，50603吉隆坡，马来西亚

摘要

本研究开发了一种新型铋纳米粒子/氮掺杂碳（BiNP/NC）纳米复合材料，并成功将其集成到弧形光纤上，作为超快光子学的先进可饱和吸收器（SA）。成分和微观结构评估证实了BiNPs成功掺入氮掺杂碳基体中，实现了33.3%的高调制深度。当将其集成到双泵浦铥钬掺杂光纤激光器（THDFL）腔体中时，BiNP/NC SA能够产生中心波长为1897 nm的自启动基频-谐波锁模脉冲。生成的脉冲具有14.5 MHz的基频、1.22 ps的脉冲持续时间和52.4 dB的信噪比（SNR）。基频-谐波锁模脉冲在连续两天的观测中保持稳定，其光学和射频光谱在每天不间断运行四小时内也保持稳定。通过增加泵浦功率，可以实现更高阶的谐波锁模脉冲，最高达到第12谐波。这些结果表明，BiNP/NC纳米复合材料是2 μm波长区域高重复率超快光子学的有前景的SA。

引言

铥钬掺杂光纤激光器（THDFLs）在多种光子应用中具有巨大潜力，特别是在宽带非线性光学调制、先进相干系统、脉冲激光生成（如Q开关[3]、[4]）以及锁模操作[5]、[6]方面。特别是工作在2 μm波段的锁模光纤激光器在中红外光子学中表现出显著优势，包括对人眼安全的发射[7]、强大的大气传输能力以及与软组织消融和医疗程序的优异兼容性[8]。稳定的锁模脉冲依赖于高性能可饱和吸收器（SAs）的发展，尤其是那些能够实现高重复率脉冲列的谐波锁模脉冲的吸收器。在这方面，基于纳米材料的SA因其固有的高调制深度[9]、强大的损伤容忍度[10]以及易于集成到光纤平台中的特性而成为有前景的光学组件[11]。这些优势使得纳米结构材料成为提升下一代2 μm超快光纤激光器性能的关键。

近年来，多种纳米材料（如石墨烯[12]、过渡金属硫属化合物（TMDs）[13]、拓扑绝缘体（TIs）[14]、碳纳米管（CNTs）[15]和MXenes[16]）已在2 μm光纤激光器中成功诱导出锁模脉冲。每种材料都因其电子结构和维度不同而具有独特的光学非线性。然而，每种材料类别仍存在固有的局限性。例如，石墨烯的单层光学吸收率仅为约2.3%[17]，这限制了其产生稳定锁模脉冲的能力，除非堆叠多层，但往往会增加插入损耗。类似的问题也存在于TMDs[18]、[19]中，使得性能的一致性高度依赖于精确的层控制，而这需要复杂且敏感的制备步骤[20]。至于TIs，它们对高光强敏感，并在高功率激光操作下会退化[21]。此外，TIs表面与水反应会导致能带弯曲，从而改变狄拉克点并产生具有显著Rashba型分裂的量子阱态[22]，影响光学性能的稳定性。相比之下，CNT的性能严重依赖于其直径和手性[23]、[24]。因此，实现均匀的可饱和吸收需要高度可控的合成过程，这增加了生产的难度。同时，MXenes通常需要选择性蚀刻和剥离工艺，这些工艺对蚀刻剂浓度、反应时间和环境条件非常敏感[25]。总体而言，尽管这些纳米材料在2 μm锁模光纤激光器方面取得了显著进展，但在材料合成和长期稳定性方面仍存在挑战。这突显了需要能够提供一致非线性性能的替代SA纳米材料的需求。

基于铋的纳米材料最近作为具有高调制深度的SA候选材料出现[26]、[27]。此外，基于铋的纳米材料能够实现高效的强度依赖性传输[28]，使其适合在宽光谱范围内生成稳定的超短脉冲，包括技术上重要的2 μm区域。此外，铋纳米材料具有高的结构可调性和与各种基体的兼容性[29]，可以形成具有协同特性的混合材料。在本研究中，铋纳米粒子（BiNPs）被嵌入氮掺杂碳（N-掺杂碳，NC）基体中，形成一种纳米复合材料（BiNP/NC），结合了铋的光学非线性和氮掺杂碳的独特性质。氮（N）掺杂增加了活性位点的数量并改变了碳框架的电子构型[30]。这些改进增强了入射光与纳米复合材料之间的相互作用，从而提高了调制深度[31]，这对于自启动锁模激光操作至关重要[32]、[33]。先前的研究表明，氮掺杂石墨烯SA可以支持基频和谐波Q开关脉冲，表明其具有高重复率脉冲生成的潜力[34]。然而，BiNP/NCs作为THDFLs中的SA，特别是在谐波锁模方面的应用尚未得到充分探索。

在这项工作中，合成了BiNP/NC纳米复合材料SA，并将其集成到THDFL中。激光器产生了中心波长为1897 nm、频率为14.5 MHz的稳定基频锁模脉冲。连续两天每天4小时的稳定性测量证实了锁模脉冲的一致性和可靠性。通过进一步增加泵浦功率，实现了高达第12谐波的锁模。这些结果展示了BiNP/NC纳米复合材料作为2 μm超快光纤激光系统高性能SA的强大潜力。

部分摘录

BiNP/NC SA的合成与表征

所有化学品均按接收状态使用，无需后续处理。所有实验均使用去离子水（Millipore，Milli-Q梯度）。Zn(NO₃)₂·6H₂O（98.00%）由Thermo Fisher Scientific（美国）提供。Bi(NO₃)₂·6H₂O（98.00%）和2-甲基咪唑（MIM，99.00%）来自Sigma Aldrich。甲醇（99.80%）、乙醇（99.90%）和乙二醇（EG，99.50%）来自Samchun Chemicals。首先，将1:4 M量的Zn(NO₃)₂·6H₂O和MIM混合

结果与讨论

光组件的点对点拼接具有低插入损耗，使得在低至257 mW的泵浦功率下即可实现连续波（CW）激光发射。优化的腔体配置支持了这一低CW阈值。当泵浦功率增加到269 mW，并稍微调整了偏振控制器（PC）后，产生了自启动的基频-谐波锁模脉冲。在本工作中，锁模输出光谱的中心波长为1897 nm，带宽为3.1 nm，带宽宽度为3 dB

结论

总之，成功合成了BiNP/NC纳米复合材料，并将其集成到弧形光纤上，作为THDFL中的SA设备。BiNP/NC SA表现出33.3%的高调制深度，并在1897 nm处实现了14.5 MHz的稳定基频锁模。产生的基频脉冲具有1.22 ps的脉冲持续时间和0.315的峰值功率比（TBP），这是一个受转换限制的值，且几乎没有啁啾，突显了其出色的脉冲质量

CRediT作者贡献声明

N.A.M. Rusni：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、数据分析、概念化。H. Ahmad：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调、资金获取。I.S. Imaduddin：撰写——审阅与编辑、方法论、研究。Mousa Hussein：撰写——审阅与编辑、项目协调、资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务或个人利益冲突。

致谢

我们感谢马来亚大学提供的RU001-2025A资助，以及阿拉伯联合酋长国在12N144项目下的财政支持。