《Journal of Luminescence》：DFT-Assisted Investigation of Pulse Evolution in Sr-doped BaTiO
3 Saturable-Absorber-based Mode-Locked Er-doped Fiber Laser
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Sr-BaTiO3纳米复合材料作为饱和吸收体在掺铒光纤激光器中实现被动锁模，通过水热法制备并经EDX/XRD/SEM表征，其调制深度6.63%、饱和强度12.25 MW/cm2，在1550 nm波长下输出3.22 ps脉冲，功率3.81 mW，RMS功率波动0.07%。DFT模拟验证掺杂调控能带结构，优化激光性能。
致谢：U.K. Niazi、T.A. Alrebdi、Nazish Saleem Abbas、Muhammad Fasih Akram、Munawar Ali、Jehanzaib Saleem、Haroon Asghar
深圳大学物理与光电工程学院核能与安全高级研究院，中国深圳 518060
摘要：
在本研究中，我们探讨了一种采用Sr掺杂的BaTiO3（化学式为Ba1-xSrxTiO3，x = 0.06）作为可饱和吸收器（SA）的铒掺杂光纤激光器（EDFL）。通过水热法合成的这种SA的调制深度为6.63%，饱和强度为12.25 MW/cm2，非饱和损耗为61.62%。为了确保样品的元素组成、晶体相结构和表面形态，我们进行了能量色散X射线光谱（EDX）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析。将制备的Sr-BaTiO3纳米复合材料掺入EDFL腔内后，其光学性能显著提升，能够产生持续时间为3.22 ps、发射波长为1565 nm、重复频率为50.80 MHz、输出功率为3.81 mW的超短脉冲。同时，我们还详细研究了激光器的性能，包括脉冲能量、峰值功率和稳定性。此外，还利用密度泛函理论（DFT）计算了Ba1-xSrxTiO3的光学特性。理论模拟表明，增加掺杂浓度可以通过调节带隙来改变光学特性，从而实现适合所需波长范围的光纤激光器的最佳性能平衡。这些结果证实了Sr-BaTiO3-SA在光纤激光器中实现稳定脉冲生成的潜力，显示出其在超快光子学领域的广泛应用前景。
引言
脉冲光纤激光器因其紧凑的设计、高效率和可调谐特性而在多个领域得到广泛应用，包括电信、材料加工、医学诊断和超快光谱学[1]。它们能够以低成本生成高质量、稳定的激光输出，因此在工业和科学应用中备受青睐[2]。光纤激光器的一个关键优势是能够产生超短脉冲（如飞秒（fs）和皮秒（ps）脉冲，这些脉冲对于精确的材料加工[3]和傅里叶变换光谱学[4]至关重要。铒掺杂光纤激光器（EDFL）在1.5 μm波长下具有高效的工作性能，非常适合各种应用，如光通信[5]、激光雷达[6]和高精度传感[7]。光纤激光器产生超短脉冲的能力推动了多种技术的发展，其中锁模技术是最常见的生成稳定fs和ps脉冲的方法之一。锁模机制使激光腔以同步方式运行。锁模技术主要有两种类型：主动锁模和被动锁模。在主动锁模中，外部电子调制器对激光腔进行周期性调制，从而形成超短脉冲。虽然这种方法可以精确控制脉冲特性，但会增加系统复杂性。相比之下，被动锁模是一种节能且简单的方法，它依赖于SA的强度依赖性吸收特性来实现激光腔内纵模的相位锁定。由于SA吸收低强度光并传输高强度光，这种机制能够产生高峰值功率的超短脉冲。SA有效地起到了光学开关的作用，无需外部控制即可形成稳定的脉冲。为了使SA有效工作，需要满足足够的调制深度、快速恢复时间和适当的饱和强度等关键参数。传统的SA，如半导体可饱和吸收镜（SESAM），由于其在生成fs激光脉冲方面的出色性能而得到广泛应用[8]。然而，近年来，寻找替代材料（特别是纳米结构和纳米复合材料）已成为研究重点。纳米材料因其独特的尺寸和小表面积带来的光学特性而具有许多优势。特别是拓扑绝缘体（TIs）（Sb2Te3、Bi2Te3）[9]、碳纳米管（CNTs）[10]、金属氧化物[11]、过渡金属硫属化合物（TMDs）[12]等纳米材料作为SA表现出优异的性能。它们的快速恢复时间、宽吸收光谱和高损伤阈值使其非常适合用于稳定超短脉冲的生成。此外，通过结合两种或更多具有互补特性的材料制成的纳米复合材料，有望提供更好的性能，包括可调吸收、更强的非线性光学响应和更好的长期稳定性[13]。这些先进材料越来越多地集成到光纤激光系统中，以实现更高稳定性和能量的超短脉冲生成。在探索的可饱和吸收材料中，BaTiO3因其强的非线性光学响应和缺陷介导的吸收而在1.5 μm波长区域特别值得关注[14]。Abdulhadi等人展示了一种基于BaTiO3环形腔的紧凑型多波长EDFL，该激光器产生了最大2.7 mW的输出功率，脉冲持续时间为5.2 ps，基本重复频率为28.7 MHz[15]。
在本研究中，我们研究了Sr-BaTiO3作为被动锁模EDFL中SA的潜力。采用水热法合成了Sr-BaTiO3纳米复合材料，并通过能量色散X射线光谱（EDX）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对其进行了表征。测量得到Sr-BaTiO3 SA的调制深度为6.63%。当将其与激光腔集成后，基于Sr-BaTiO3的EDFL成功生成了脉冲宽度为3.22 ps、重复频率为50.80 MHz、信噪比为93 dB的稳定锁模脉冲。最大输出功率达到3.81 mW，对应的脉冲能量为75 pJ，峰值功率为23.29 W。通过连续2小时的均方根（RMS）功率波动（0.07%）测量进一步确认了锁模稳定性。此外，还使用PBE-GGA势能进行了密度泛函理论（DFT）计算以研究该材料的光学特性。总体而言，这些发现表明Sr-BaTiO3是一种有前景的超快EDFL系统用可饱和吸收器。
Sr-BaTiO3纳米复合材料的合成与表征
Sr-BaTiO3纳米复合材料作为SA样品是通过水热法制备的。首先仔细称量了前驱体材料：硝酸钡（Ba(NO3)2、四氯化钛（TiCl4）和硝酸锶（Sr(NO3)2，确保掺杂水平的正确化学计量比。然后加入NaOH和KOH（比例为51.5:48.5）以促进前驱体的溶解。将前驱体混合后转移到特氟龙容器中，并加热至
Sr-BaTiO3纳米复合材料的表征
通过能量色散X射线光谱（EDX）验证了制备的Sr-BaTiO3纳米复合材料的元素组成。EDX结果显示，材料中含有预期的元素：氧（O）44.46%、钛（Ti）18.39%、锶（Sr）5.52%和钡（Ba）31.63%，表明合成材料的纯度很高。
图3（a,b）中的SEM图像显示，该材料由形状不规则、分散的球形颗粒组成。
BaTiO3-SA的光学特性
使用平衡双探测器方法研究了制备的Sr-BaTiO3-SA的非线性传输行为。实验装置示意图见参考文献[18]。在此设置中，使用脉冲宽度为150 fs、重复频率为30 MHz的1550 nm fs激光源作为激发光源。通过可变光衰减器调节激光输出，然后光信号通过50:50分光器分成两路
实验装置
EDFL的实验装置如图6所示，其中使用长度为1 m的EDF作为增益介质。980 nm的泵浦光源连接到波长分束器（WDM）（976/1550 nm），WDM将泵浦光与1550 nm的信号光结合并导向EDF。EDF放大1550 nm的信号光，提供锁模所需的增益。EDF后，光通过偏振控制器（PC）进行偏振状态调整SrxBa1-xTiO3（x = 0.25）的可饱和吸收器的光学和电子特性的第一性原理研究
在本部分中，通过VASP代码进行了密度泛函理论（DFT）计算，以研究Sr掺杂变体SrxBa1-xTiO3（x = 0.25）的光学特性[20]。为了与实验掺杂浓度（x ≈ 0.06）相匹配，构建了一个包含80个原子（15个Ba、16个Ti、48个O和1个Sr）的4 x 4 x 1超胞，对应于精确的组成x = 0.0625（Ba0.94Sr0.06 TiO3）。计算基于广义梯度近似（GGA）
结论
在本研究中，我们合成了Sr-BaTiO3并将其作为EDFL腔内的SA用于超短脉冲生成。Sr-BaTiO3表现出6.63%的调制深度、61.62%的非饱和吸收和12.25 MW/cm2的饱和强度。基于Sr-BaTiO3的EDFL腔生成的锁模脉冲具有3.22 ps的脉冲宽度、50.80 MHz的重复频率和93 dB的信噪比。使用Sr-BaTiO3作为EDFL腔内的SA，我们实现了
CRediT作者贡献声明
Muhammad Fasih Akram：方法论、研究。Nazish Saleem Abbas：方法论、研究、数据管理。T. A. Alrebdi：研究、形式分析、数据管理。Haroon Asghar：写作——审稿与编辑、写作——初稿、形式分析、数据管理、概念化。Jehanzaib Saleem：研究、形式分析、数据管理。Munawar Ali：方法论、研究、形式分析。Salamat U. K. Niazi：写作——初稿、形式分析、数据管理，
数据可用性
本文所述结果所依据的数据目前尚未公开，但可根据合理请求向作者获取。
资助
Princess Nourah Bint Abdulrahman大学 支持项目编号（PNURSP2026R71），Princess Nourah Bint Abdulrahman大学，沙特阿拉伯利雅得。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢：
T.A. 对Princess Nourah bint Abdulrahman大学支持项目编号（PNURSP2026R71）的研究人员表示衷心的感谢。
