Генерация импульсов с модуляцией добротности и синхронизацией мод с помощью поглотителя Ti₃AlC₂

Исследование современных материалов насыщающегося поглотителя (SA), которые демонстрируют исключительные характеристики для выполнения операций переключения добротности и синхронизации мод, остается динамичной областью исследований в области волоконных лазеров. Замечательная оптическая нелинейность в сочетании с высокой термической и химической стабильностью материалов фазы MAX делает их перспективными кандидатами на роль высокопроизводительных СА. В этом исследовании мы продемонстрировали потенциал фазы Ti₃AlC₂ MAX в качестве эффективного материала для применения в волоконных лазерах с модуляцией добротности и синхронизацией мод. Пленка Ti₃AlC₂ была синтезирована простым и экономичным методом литья с использованием поливинилового спирта (ПВС) в качестве основного материала. SA был умело сконструирован из пленки с использованием многослойной платформы с оптоволоконными наконечниками и легко интегрирован в кольцевой резонатор волоконного лазера, легированного эрбием (EDFL). Первоначально был реализован стабильный лазер с модуляцией добротности с центральной длиной волны 1531 нм. Частота повторения заметно увеличилась с 35,0 до 50,8 кГц, а длительность импульса уменьшилась с 6,58 до 3,40 мкс при регулировке мощности накачки в диапазоне от 25,98 до 58,29 мВт. Примечательно, что максимальная выходная мощность 2,49 мВт и энергия импульса 49,02 нДж были зафиксированы при мощности накачки 58,29 мВт. Впоследствии в аналогичный резонатор лазера было добавлено дополнительное одномодовое волокно длиной 200 м, что привело к генерации стабильного лазера с синхронизацией мод с пороговой мощностью накачки 81,37 мВт, работающего на центральной длине волны 1558,96 нм. Наблюдаемая стабильная частота следования 969,3 кГц в сочетании с длительностью импульса 300 нс продемонстрировала устойчивую работу при увеличении мощности накачки с 81,37 до 113,68 мВт. Эти результаты подчеркивают исключительные характеристики Ti₃AlC₂ SA как для приложений с модуляцией добротности, так и для синхронизации мод. Универсальность этих лазеров делает их ценными для различных применений, включая микрообработку материалов, генерацию гребенки частот и дистанционное зондирование.

1. Dong L., Samson B. Fiber Lasers: Basics, Technology, and Applications. CRC press, New York, 2016.

2. Shi W., et al. Fiber lasers and their applications. Applied optics, 2014, 53 (28), P. 6554–6568.

3. Sun S., et al. Demonstration of passively Q-switched and mode-locked operations through dispersion control in Er-doped fiber lasers with a cylindrite-based saturable absorber. J. of Luminescence, 2022, 250, 119064.

4. Liu W., et al. 2D Materials for Fiber Lasers: Recent Advances of 2D Materials in Nonlinear Photonics and Fiber Lasers. Advanced Optical Materials, 2020, 8 (8), 2070031.

5. Zhang Y., et al. Study of the influence of SESAM parameters on the evolution of mode-locked pulses at different repetition rates. Applied Physics B, 2021, 127 (8), P. 1–10.

6. Nishizawa N., et al. Dynamics of a dispersion-managed passively mode-locked Er-doped fiber laser using single wall carbon nanotubes. Photonics, 2015, 2 (3), P. 808–824.

7. Haris H., et al. Generation of Vector Soliton Pulses with Graphene Oxide Film in Mode-locked Erbium-doped Fiber Laser Cavity. Nonlinear Optics Quantum Optics-Concepts in Modern Optics, 2020, 52 (1–2), P. 111–118.

8. Hu J.-W., et al. Passively mode-locked Er-doped fiber laser based on a semi-metallic InBi saturable absorber. J. of Physics D: Applied Physics, 2021, 55 (10), 105104.

9. Haris H., et al. Mode-Locked YDFL Using Topological Insulator Bismuth Selenide Nanosheets as the Saturable Absorber. Crystals, 2022, 12 (4), 489.

10. Ismail E., et al. Black phosphorus crystal as a saturable absorber for both a Q-switched and mode-locked erbium-doped fiber laser. RSC Advances, 2016, 6 (76), P. 72692–72697.

11. Tiu Z., et al. Application of transition metal dichalcogenide in pulsed fiber laser system. Materials Research Express, 2019, 6 (8), 082004.

12. Rosol A.H.A., et al. Nanosecond pulses generation with rose gold nanoparticles saturable absorber. Indian J. of Physics, 2020, 94 (7), P. 1079–1083.

13. Jafry A.A.A., et al. MXene Ti3C2Tx as a passive Q-switcher for erbium-doped fiber laser. Optical Fiber Technology, 2020, 58, 102289.

14. Fu B., et al. MXenes: Synthesis, optical properties, and applications in ultrafast photonics. Small, 2021, 17 (11), 2006054.

15. Gonzalez-Julian J. Processing of MAX phases: From synthesis to applications. J. of the American Ceramic Society, 2021, 104 (2), P. 659–690.

16. Khazaei M., et al. Recent advances in MXenes: From fundamentals to applications. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 2019, 23 (3), P. 164–178.

17. Gogotsi Y., Anasori B. The rise of MXenes. ACS Nano, 2019, 13 (8), P. 8491–8494.

18. Zhang Z., et al. On the formation mechanisms and properties of MAX phases: A review. J. of the European Ceramic Society, 2021, 41 (7), P. 3851–3878.

19. Sun Z. Progress in research and development on MAX phases: a family of layered ternary compounds. Int. Materials Reviews, 2011, 56 (3), P. 143–166.

20. Wu K., et al. High-performance mode-locked and Q-switched fiber lasers based on novel 2D materials of topological insulators, transition metal dichalcogenides and black phosphorus: review and perspective. Optics Communications, 2018, 406, P. 214–229.

21. Bazhenov A.Y., et al. Random Laser Based on Materials in the Form of Complex Network Structures. JETP Letters, 2023, 117 (11), P. 814–820.

22. Wiersma D.S. Disordered photonics. Nature Photonics, 2013, 7 (3), P. 188–196.