二維三元過渡金屬二鹵化物（TMDC）由于其特殊的化學(xué)/物理特性以及在納米器件應(yīng)用中的巨大潛力，已被納米技術(shù)和材料科學(xué)領(lǐng)域的研究人員廣泛研究。與以往基于二維材料可飽和吸收體的研究成果相比，本文提出的NbxRe(1−x) s2基鎖模光纖激光器具有更高的綜合性能。

隨著超高速激光的發(fā)明，非線性光學(xué)已成為近幾十年來發(fā)展最快的科學(xué)領(lǐng)域之一。其中，光纖中光溶膠的形成和動(dòng)力學(xué)引起了人們的廣泛關(guān)注和研究。被動(dòng)鎖模光纖激光器被認(rèn)為是產(chǎn)生光孤子的有前景的平臺(tái)，也是研究其非線性動(dòng)力學(xué)的有力工具。到目前為止，各種各樣的孤子，如常規(guī)孤子、相似孤子、耗散孤子、束縛態(tài)孤子、暗孤子等已經(jīng)在光纖激光器中形成和研究，依賴于光纖腔設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇。特別是，耗散性粒子更具吸引力，因?yàn)樗鼈兙哂懈�大的脈沖能量，通常在凈色散光纖激光腔中產(chǎn)生。事實(shí)上，由于輕微的雙折射，兩個(gè)正交偏振模在單模光纖中傳播。以往的工作表明，光纖激光器中兩個(gè)偏振模之間的非線性耦合可能導(dǎo)致矢量孤子的形成。更重要的是，被動(dòng)鎖模光纖激光器中的矢量孤子很有吸引力，因?yàn)樗鼈優(yōu)楣伦觿?dòng)力學(xué)研究提供了一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)。

孤子變形的光譜、場自相關(guān)痕跡和能量演化。

相比之下，目前的商用SA，即半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM），顯示出一些固有的缺點(diǎn)，如操作帶寬窄、制造過程復(fù)雜和光纖兼容性差，這大大限制了進(jìn)一步的應(yīng)用。自石墨烯基光纖激光器首次問世以來，石墨烯因其超寬的波長吸收范圍和快速的飽和恢復(fù)時(shí)間吸引了研究人員的注意。但在特定波長區(qū)域產(chǎn)生光學(xué)帶隙的難度限制了它的進(jìn)一步應(yīng)用。拓?fù)鋬?nèi)隔離器顯示出弱光調(diào)制能力的缺點(diǎn)。由于熱損傷閾值相對較低的弱點(diǎn)，金屬-有機(jī)框架或MXene在光子應(yīng)用中受到限制。開展新型SAs的開發(fā)，提高其性能至關(guān)重要。

近年來，由兩種過渡金屬元素和一種硫族元素組成的新型二維材料三元TMDC已成為研究的熱點(diǎn)。事實(shí)證明，三元TMDC可以控制局部電子結(jié)構(gòu)，并可以通過添加第三種元素來調(diào)整其特定特性。與由兩種元素組成的TMDC相比，三元TMDC通過改變元素的比例提供了更多的自由度來調(diào)整能帶隙，從而賦予它們可調(diào)諧的物理/化學(xué)特性，具有潛在的誘人應(yīng)用。此外，由于混合自由能較低，預(yù)測這些三元TMDC具有良好的穩(wěn)定性。此外，二維三元TMDC由于其豐富的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，在光學(xué)、生物傳感器、電子集成電路和催化等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。到目前為止，已有一些報(bào)告稱，使用2D三元TMDC作為SAs光纖激光器來產(chǎn)生超短脈沖。然而，關(guān)于基于2D三元TMDC的耗散孤子形成的研究還不夠充分，也沒有關(guān)于耗散孤子矢量特征的研究報(bào)告。研究以三元TMDC為SAs的超快光纖激光器中耗散粒子的矢量特性，對于進(jìn)一步加強(qiáng)材料科學(xué)和超快光子學(xué)的研究具有重要價(jià)值。

在本文中，我們展示了三元TMDC NbxRe(1−x) s2基器件，具有非線性光學(xué)吸收，用于產(chǎn)生耗散孤子。NbxRe(1−x) s2以異丙醇為溶劑，采用液相剝離法制備了納米片。隨后，NbxRe(1−x) s2納米片覆蓋在微纖維上，形成SA裝置。實(shí)驗(yàn)研究了耗散孤子的矢量特性，證明了這些孤子是偏振鎖定的矢量孤子。此外，獲得的脈沖被壓縮到149.6 fs。據(jù)我們所知，這是第一次證明基于TMDCs的三值鎖模光纖激光器中矢量耗散孤子的形成。與先前報(bào)道的基于2D材料的光纖激光器相比，該激光器的總體性能有所提高。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅證明了NbxRe(1−x) s2納米片，但也表明三元TMDC可能促進(jìn)超快光子學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展和創(chuàng)新。

2、實(shí)驗(yàn)

2.1. NbxRe(1−x) s2納米片的制備

采用化學(xué)氣相輸運(yùn)技術(shù)合成了NbxRe(1−x) s2晶體。如圖1a所示，從掃描電子顯微鏡(SEM)可以觀察到固有的二維層狀結(jié)構(gòu)。圖1b顯示了能量色散x射線能譜(EDX)光譜。如圖1c所示，主要振動(dòng)模態(tài)位于500 cm−1以下，在190、351和401 cm - 1處觀察到三個(gè)拉曼活性模態(tài)。

圖1 a) NbxRe(1−x)S2晶體的SEM圖像;b) NbxRe(1−x)S2晶體的EDX譜;c) NbxRe(1−x)S2晶體的拉曼光譜;d)元素Re 4f的XPS;e) Nb 3d元素XPS;f)元素s2p的XPS;g) NbxRe(1−x)S2納米片的SEM圖像;h) AFM圖像;i)高度輪廓。

2.2. NbxRe(1−x) s2基SA的非線性光學(xué)性質(zhì)

基于間接倏逝場耦合方法，得到了NbxRe(1−x) s2基的SA。將一段SMF-28e纖維制成微型纖維，腰圍直徑為12 m。然后，這種超細(xì)纖維被固定在玻片上。通過在錐區(qū)表面沉積NbxRe(1−x) s2納米片，當(dāng)光通過超細(xì)纖維時(shí)，制備了NbxRe(1−x) s2 SA。圖2a、b為20、50 m尺度的NbxRe(1−x)s2納米片修飾超細(xì)纖維的光學(xué)顯微鏡圖像。通過這種方式，材料與光的相互作用得到了增強(qiáng)，NbxRe(1−x) s2納米片的調(diào)制能力得到了充分的增強(qiáng)。為了研究制備的超細(xì)纖維NbxRe(1−x) s2 SA的非線性光學(xué)性質(zhì)，建立了平衡式雙探測器測量系統(tǒng)。采用脈沖寬度為150 fs、中心波長為1552 nm、重復(fù)頻率為29.47 MHz的鎖模EDF激光器作為光源。該鎖模光纖激光器的輸出功率通過衰減器進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2c所示。

圖2 a) NbxRe(1−x)S2 SA微纖維在20 μm尺度下的光學(xué)圖像;b) NbxRe(1−x)S2 SA在50 μm尺度下的光學(xué)圖像;c)超細(xì)纖維NbxRe(1−x)S的非線性光學(xué)透過率曲線

2.3.  全光纖激光實(shí)驗(yàn)裝置

圖3顯示了含有超快光纖nbxre(1−x)S2 SA的光纖激光器的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)。在該環(huán)形腔中，采用一片50 cm EDF（Er 110–4/125）作為增益介質(zhì)，由976 nm激光二極管（LD）通過波分復(fù)用器（WDM）泵浦。激光性能由以下儀器測量：數(shù)字示波器（Rohde&Schwarz RTO2014）、光電探測器（Thorlabs DET08CFC）、自相關(guān)器（Femto FR-103XL）、光譜分析儀（橫河AQ6370D）、數(shù)字功率計(jì)（JDSU OLP-85）和射頻（RF）頻譜分析儀（Rohde&Schwarz FSW13）。

圖3 EDF激光器的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖。

3、結(jié)果與討論

當(dāng)泵功率達(dá)到620MW時(shí)，通過仔細(xì)調(diào)整PC1獲得鎖模操作。圖4a顯示了鎖模脈沖頻譜，它揭示了具有陡峭譜邊的矩形形狀的特征，表明鎖模脈沖在該凈正色散光纖腔中形成了不同的孤子。為了測試這種耗散孤子鎖模狀態(tài)的長期穩(wěn)定性，在8h內(nèi)每1h記錄一次光譜。特別是，光譜形狀、光譜強(qiáng)度和光譜帶寬在此期間保持不變，表明長期穩(wěn)定性良好。圖4b顯示了400 ns范圍內(nèi)相應(yīng)的脈沖序列，其強(qiáng)度為單一形式，相鄰脈沖的時(shí)間間隔測量為28.089 ns。如圖4c所示，基本重復(fù)頻率為35.6 MHz，對應(yīng)于該腔中的往返時(shí)間。信噪比（SNR）高達(dá)77 dB。360 MHz范圍內(nèi)的諧波頻率如圖4d所示，進(jìn)一步證明了鎖模操作的出色穩(wěn)定性。圖4e顯示了直接從輸出接口獲取的測量自相關(guān)軌跡。通過高斯擬合，脈沖寬度計(jì)算為1.03 ps。圖4f顯示了輸出功率和泵功率之間的關(guān)系曲線�？梢酝茰y，所提出的SA在實(shí)驗(yàn)過程中沒有受到損壞。

圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果:a)光譜;b)脈沖田;c)射頻頻譜;D)諧波頻譜;e)自相關(guān)跟蹤;f)輸出功率。

將PC2放置在PBS和激光輸出支路中間，以調(diào)整光纖尾纖引起的線性偏振旋轉(zhuǎn)。在PBS之后，解析了兩個(gè)正交極化脈沖。孤子的偏振分辨光譜如圖5a所示。兩個(gè)偏振分量的孤子光譜在光譜和邊帶上顯示出一些差異。當(dāng)其中一個(gè)組分出現(xiàn)頻譜峰值時(shí)，另一個(gè)組分出現(xiàn)頻譜下降。這些峰-傾角對是這些矢量孤子的兩個(gè)偏振方向之間相干能量切換的結(jié)果。圖5b顯示了兩條偏振分辨示波器記錄道。兩個(gè)正交偏振分量的脈沖強(qiáng)度在沒有調(diào)制的情況下保持一致，表明孤子是偏振鎖定的矢量不同孤子。矢量孤子形成的一個(gè)關(guān)鍵條件是，光纖腔中必須沒有偏振相關(guān)元件，這進(jìn)一步證明了制備的微光纖NbxRe(1−x) s2 SA對偏振不敏感。

圖5偏振鎖定矢量孤子的輸出特性：a）光譜；和b）脈沖田。

此外，還進(jìn)行了脈沖壓縮實(shí)驗(yàn)。使用HI1060光纖對直接由光纖振蕩器產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行壓縮。HI1060光纖的長度選擇為342 cm。在圖6a中，紅線表示342 cm HI1060光纖傳輸后脈沖的光譜。測量的自相關(guān)軌跡如圖6b所示。腔外壓縮后，脈沖寬度為149.6 fs。根據(jù)自相關(guān)軌跡，發(fā)現(xiàn)基座寬度為≈4 ps。因此，我們估計(jì)大部分能量存在于機(jī)翼中。由于三階色散沒有補(bǔ)償，去啁啾脈沖的持續(xù)時(shí)間比變換后的有限脈沖持續(xù)時(shí)間（38.2 fs）要寬。

圖6壓縮后的激光性能：a）光譜；和b）自相關(guān)跟蹤。

眾所周知，耗散孤子脈沖的啁啾較大，脈沖持續(xù)時(shí)間為幾十皮秒。在這項(xiàng)工作中，149.6 fs是在使用一段單模纖維進(jìn)行壓縮后獲得的。本文還比較了二維SAs的矢量孤子性能。

4、結(jié)論

綜上所述，采用液相剝落法制備了多層NbxRe(1−x) s2納米片。SEM和原子力顯微鏡(AFM)測試表明，所制備的納米片質(zhì)量優(yōu)良。將NbxRe(1−x) s2納米片裝飾在超細(xì)纖維上，制備了超細(xì)纖維NbxRe(1−x) s2 SA器件。調(diào)制深度為18.28%，驗(yàn)證了良好的非線性光學(xué)吸收�；�于NbxRe(1−x) s2的飽和吸收，產(chǎn)生了穩(wěn)定的耗散孤子脈沖，脈沖持續(xù)時(shí)間為1.03 ps，最大輸出功率高達(dá)116.9 mW，實(shí)驗(yàn)研究了這些耗散孤子的矢量特性。此外，得到的孤子脈沖被壓縮到149.6 fs。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了NbxRe(1−x) s2基SA在非線性光子學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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