二维VA材料饱和吸收特性及其被动锁模超快动力学研究

As the key optical modulators in ultrafast lasers, existing saturable abosrbers (SAs) such as SESAM, graphene, transitional metal dichalcogenides, and phosphorus have limited the development of ultrafast lasers due to the narrow absorption wavelength, low response time, chemical instability, etc. Thus, exploring some novel SA materials with high chemically stability and excellent nonlinear saturable absorption properties has become one of the most important research topics. Based on that, in this project, the research focuses on the 2D VA materials ---arsenicene, stibiumene, and bismuthene, which have similar structural characteristics to BP but show higher stability, to investigate their saturable absorption properties and applications in solid-state ultrafast lasers. The research includes the fabrication of 2D VA SAs and the ultrafast dynamics of passively mode-locked lasers with VA SAs, especially the relationship between the macroscopic performances of mode-locking and the microstructures of different 2D VA SAs. Further research on the applications of 2D VA SAs in solid-state lasers will be carried out to realize broadband nanosecond to femtosecond pulsed lasers with VA SAs. This work would be constructive to deeply understanding the physicochemical properties of 2D VA materials and exploring novel optical modulators for ultrafast lasers.

超短脉冲在基础科学研究、光通讯、工业、医学等领域的广泛应用促使着人们探索更多新型超快激光光源，其中可饱和吸收体是实现超快脉冲的关键调制元件。目前SESAM、石墨烯、过渡金属氧化物、黑磷等作为可饱和吸收体在超快激光器中得到了广泛研究和应用，但其有限的作用波长、响应时间、稳定性等问题限制了超快激光的进一步发展。针对这一现状，本项目将目标转向与黑磷具有相似结构而化学性质更加稳定的新型二维VA族材料砷烯、锑烯和铋稀，开展二维VA可饱和吸收薄膜的制备、表征及其作为可饱和吸收体的超快动力学研究；深入研究VA可饱和吸收体锁模动力学过程的宏观参量和不同VA材料微观结构之间的内在关系；在此基础上将二维VA可饱和吸收体应用到全固态激光器件中，实现宽带光学调制及飞秒超快激光输出。项目的研究不论在理论上还是在实际应用中，对深入了解VA材料的物理化学性质、探索新型优异超快激光调制元件有重要的科学意义和应用价值。

可饱和吸收体是实现超短脉冲的关键调制元件。而目前SESAM、石墨烯和黑磷等可饱和吸收材料因有限的作用波长、响应时间、稳定性等问题严重限制了超快激光的进一步发展。针对这一现状，本项目将目标转向与黑磷具有相似结构而化学性质更加稳定的新型二维VA族材料砷烯、锑烯和铋稀，提出开展二维VA可饱和吸收薄膜的制备、表征及其作为可饱和吸收体的超快动力学研究；深入研究VA可饱和吸收体锁模动力学过程的宏观参量和不同VA材料微观结构之间的内在关系；在此基础上将二维VA可饱和吸收体应用到全固态激光器件中，实现宽带光学调制及飞秒超快激光输出。. 项目执行期内，采用液相剥离法制备了低维b-ArP饱和吸收体并对其形貌、非线性光学特性、时间响应等进行了全面表征，将其应用于全固态激光器件中，分别实现了稳定的被动调Q及飞秒超快锁模激光输出；同时自主研发了结构简单、高效、低成本的17.8fs超短脉冲掺镱锁模振荡器和150mW超低阈值掺镱超快激光器；进一步探索了V2CTx和MoS2等其他新型低维材料的可饱和吸收特性，将其应用在固体和光纤激光器中实现了多波段的调Q纳秒和锁模飞秒脉冲激光输出。本项目的研究对深入了解VA材料的物理化学性质提供了较好的实验数据和理论支撑，为超快激光领域光学调制元件提供了更多的材料选择，同时为研发高效、低成本、小型化的超快激光器提供了有力的科学指导和技术支持。项目执行期内，共发表SCI论文8篇，申请并授权国家实用新型专利1项。综上所述，本项目研究内容和成果满足任务书的要求，达到了预期目的。