北航付博、郑大刘宪虎、深大张晗 ACS Photonics：柔性Ag/MXene宽带非线性调制器在超快光子学中的应用

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MXenes因其导电性高、光学透明度高和带隙可调等优点在超快光子学领域得到广泛的关注。Ag作为最具吸引力的金属材料之一，具有较大的三阶非线性、高导电性和优异的等离子体共振特性等，也适合作为可饱和吸收体用于超快脉冲产生。Ag与MXene材料的结合能够优化复合材料的非线性吸收特性，从而增强对光脉冲的调制能力，因此有望成为超快激光器中可靠的非线性调制器件。

北京航空航天大学付博、郑州大学刘宪虎及深圳大学张晗教授团队近期利用柔性多层Ag/MXene复合薄膜作为非线性调制器在不同波段激光器中实现了超快脉冲输出。相关研究成果以“Ag/MXene Composite as a Broadband Nonlinear Modulator for Ultrafast Photonics”为题发表在期刊ACS Photonics上。论文第一作者为北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院博士生孙婧轩，通讯作者为付博、刘宪虎和张晗教授。该研究得到国家自然科学基金、北京市教育委员会科技创新服务能力建设项目和北京航空航天大学博士生卓越学术基金的资助。

柔性多层Ag/MXene复合薄膜以水性聚氨酯/Ag/MXene/水性聚氨酯逐层喷涂辅以热压法制备，并通过夹合式结构将其集成在激光腔中。原始Ag、MXene及Ag/MXene复合薄膜的形貌结构如图1所示。

图1. 材料形貌图：(a) Ag和(b) MXene的SEM图，(c) Ag和(d) MXene的TEM图，(e) Ag/MXene复合材料的截面SEM图

通过双臂平衡探测法测量了Ag/MXene薄膜的非线性吸收特性，测量装置及不同波段结果如图2所示。实验结果证明，Ag/MXene薄膜在1, 1.5, 2 μm波段均具有优异的可饱和吸收特性，保证其可以作为超快脉冲光纤激光器中的宽波段非线性光子器件。

图2. 非线性吸收特性测量装置及结果图：(a) 双臂平衡探测装置图，Ag/MXene在(b) 1 μm，(c) 1.5 μm，(d) 2 μm波段的非线性透过率曲线

当Ag/MXene可饱和吸收器件应用于掺镱、掺铒及铥钬共掺光纤激光器中时，分别在1, 1.5, 2 μm波段得到了高能量稳定的调Q脉冲输出，结果如图3-5所示。文中对输出脉冲的波长、脉冲宽度和重复频率等特性进行了讨论。同时，对脉冲在2小时内的输出功率和光谱变化特性进行了监测与分析，相对稳定的输出功率和光谱表明了基于Ag/MXene的调Q激光器在不同波段的长期工作稳定性。此外，通过与其他典型材料的非线性吸收及产生脉冲的特性进行比较，可以看出Ag/MXene作为可饱和吸收体产生脉冲时的优势，脉冲能量较高时仍能保持高稳定性，进一步表明了Ag/MXene在宽带和高能激光器中的应用潜力。

图3. 基于Ag/MXene可饱和吸收体的1 μm波段典型调Q结果：(a) 光谱，(b) 脉冲序列，(c) 脉冲轮廓，(d) 频谱，(e) 输出功率随时间变化图，(f) 2h内光谱演化图

图4. 基于Ag/MXene可饱和吸收体的1.5 μm波段典型调Q结果：(a) 光谱，(b) 脉冲序列，(c) 脉冲轮廓，(d) 频谱，(e) 输出功率随时间变化图，(f) 2h内光谱演化图

图5. 基于Ag/MXene可饱和吸收体的2 μm波段典型调Q结果：(a) 光谱，(b) 脉冲序列，(c) 脉冲轮廓，(d) 频谱，(e) 输出功率随时间变化图，(f) 2h内光谱演化图

原文链接：

J. Sun, H. Cheng, L. Xu, B. Fu*, X. Liu*, and H. Zhang*, “Ag/MXene composite as broadband nonlinear modulator for ultrafast photonics,” ACS Photonics, DOI: 10.1021/acsphotonics.3c00495

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.3c00495

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