基于二维过渡金属硫化物/石墨烯异质结的高性能锁模光纤激光器研究

Two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDs), as novel graphene-like nanomaterials, have attracted growing interests owing to their excellent electrical and optical properties. TMDs (such layered MoS2 and WS2) have unique saturable absorption properties, which have considerable applications in ultrafast fiber lasers. TMDs and Gr have shown distinct yet complementary properties, therefore, their saturable absorption properties could be improved efficiently by stacking layered TMDs and Gr together to form TMD/Gr heterostructures. In this project, the MoS2/Gr and WS2/Gr heterostructures will be prepared by the CVD technique. Their nonlinear optical properties will be characterized and the mechanism responsible for the observed saturable absorption will be identified. The MoS2/Gr and WS2/Gr heterostructures will be optimized to offer desired saturable absorption properties for high-performance mode-locked fiber lasers. The fiber laser with dissipative-soliton-resonance pulses and the high-repetition-rate femtosecond fiber laser will be investigated by utilizing TMD/Gr heterostructures saturable absorbers. On the other hand, a novel gate-voltage-controlled TMD/Gr heterostructure will be proposed and fabricated, and its applications in passively mode-locked fiber lasers will be explored. The information obtained is important for the development of the mode-locked fiber lasers and photonic applications of TMD/Gr heterostructures.

二维过渡金属硫化物（TMDs）（如MoS2和WS2）是继石墨烯(Gr)之后的又一类新型光电子材料，具有独特的非线性饱和吸收特性，在超快光纤激光器中有重要应用。但二维TMDs和Gr可饱和吸收材料各具优缺点，通过它们构成的二维TMD/Gr异质结可以有效地提高材料的可饱和吸收性能。本项目拟利用CVD技术制备以MoS2/Gr和WS2/Gr异质结为代表的二维TMD/Gr异质结材料，研究异质结材料的结构与可饱和吸收性能之间的关系；通过优化异质结的结构，制备优秀的TMD/Gr异质结可饱和吸收体，并将其应用于锁模光纤激光器，分别研制出基于耗散孤子共振的高能量脉冲光纤激光器和高重复频率的飞秒光纤激光器；设计和制备一种新颖的电调控TMD/Gr异质结锁模器，探索其在被动锁模光纤激光器中的应用。该项目的研究将为提高锁模光纤激光器的性能和开拓二维TMD/Gr异质结材料在超快光子学领域的应用奠定基础。

二维过渡金属硫化物（TMD）和石墨烯(Gr)各自具有独特的非线性饱和吸收特性，在超快光纤激光器中有重要应用，由它们构成的TMD/Gr异质结可以进一步提高材料的可饱和吸收性能。本项目制备了以WS2/Gr异质结为代表的二维TMD/Gr异质结材料，研制了高性能的WS2/Gr异质可饱和吸收体，并将其用于实现不同类型的锁模光纤激光器，还研究了锁模光纤激光器中的多种孤子脉动行为及其矢量特性。主要研究内容和结果如下：.（1）发展了两种CVD方法制备高质量的单层WS2薄膜，采用湿法转移制备了WS2/Gr范德瓦尔斯异质结薄膜，通过拉曼光谱和光致发光光谱证实了异质结中WS2和Gr之间存在强烈的层间相互作用。研究了WS2/Gr异质结中载流子浓度的电调控和单层WS2的光电响应特性。.（2）实验发现WS2/Gr异质结在L波段和C波段具有优异的可饱和吸收特性，与单层WS2相比，其调制深度更大、饱和光强度更低；在可见光波段它比单层WS2和Gr具有更强的可饱和吸收效应，比单层WS2有更快的载流子弛豫时间。实验结果表明：该异质结在超快光纤激光器中具有很好的应用前景。.（3）数值模拟了锁模光纤激光器中耗散孤子共振（DSR）脉冲的形成和偏振演化，揭示了一种利用可饱和吸收体实现DSR脉冲的新机制，分析了可饱和吸收体参数对DSR脉冲特性的影响，对研制基于WS2/Gr异质结的高能量DSR光纤激光器具有重要的参考价值。.（4）利用制备的WS2/Gr异质结锁模器件，研制了工作在不同色散区的L波段锁模光纤激光器，分别实现了脉宽为660fs的传统孤子和脉宽为55.6ps的耗散孤子输出。将该异质结应用于C波段锁模光纤激光器中，获得了脉宽为420fs的传统孤子脉冲。.（5）利用WS2/Gr异质结锁模器件研制了高重复频率的飞秒掺铒光纤激光器，其基频重复频率达到602MHz。.（6）实验研究了锁模光纤激光器中不同类型矢量孤子的脉动行为，首次发现了双周期脉动孤子和DSR脉冲的脉动现象，并分析了它们的偏振动力学特性。