上海光機(jī)所在用于1.3μm高性能固體激光器的脈沖激光調(diào)制器件方面取得進(jìn)展

近日，中科院上海光機(jī)所邵建達(dá)研究員、趙元安研究員團(tuán)隊(duì)，成功研制一種基于波紋結(jié)構(gòu)ITO薄膜（CITO）的可飽和吸收體器件。該器件克服了平面介電常數(shù)近零（ENZ）薄膜中的ENZ 場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)固有的偏振和角度依賴問(wèn)題，在0-20°范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了偏振無(wú)關(guān)的線性和非線性光學(xué)性能。相關(guān)成果以“A corrugated epsilon-nearzero saturable absorber for a high-performance 1.3 μm solid-state bulk laser”為題發(fā)表于Nanoscale。

平面ENZ薄膜中的ENZ場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)可以增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生強(qiáng)的非線性光學(xué)效應(yīng)，減小實(shí)際應(yīng)用的器件尺寸。結(jié)合其寬帶、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容、可集成化、高調(diào)制速度等優(yōu)勢(shì)，ENZ薄膜在基于非線性光學(xué)性能的激光器件方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。但ENZ 場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)具有固有的窄帶、偏振依賴和角度依賴特征，極大地限制了基于ENZ材料的非線性光學(xué)器件的ENZ場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)有效利用。

本研究提出了利用基于半橢球殼激發(fā)單元實(shí)現(xiàn)ENZ偏振不敏感和廣角激發(fā)策略。并進(jìn)一步構(gòu)建了基于ENZ半橢球殼陣列的波紋ITO薄膜光耦合結(jié)構(gòu)。利用低成本的自組裝工藝，制備了具有對(duì)稱幾何形狀的CITO薄膜。研究結(jié)果表明，其在1340 nm的0°激光入射下，非線性吸收系數(shù)為–609.9 cm/GW，是平面ITO薄膜的8倍。此外，在0–20°的寬角度范圍內(nèi)，CITO薄膜的強(qiáng)非線性光學(xué)性能不受泵浦激光入射角和偏振態(tài)的限制。利用CITO薄膜優(yōu)異的非線性光學(xué)性能，設(shè)計(jì)一種新型的ENZ可飽和吸收體，在1.34 μm成功實(shí)現(xiàn)了高性能的全固態(tài)脈沖激光輸出，與平面ITO薄膜相比，基于CITO可飽和吸收體的調(diào)Q激光輸出脈寬縮窄約10倍。該研究?jī)?yōu)化了基于ENZ薄膜的可飽和吸收體性能，同時(shí)為其他基于ENZ材料的光學(xué)器件的角度和偏振依賴問(wèn)題提供了可靠解決方案，有利于脈沖激光調(diào)制器和高性能脈沖激光器的發(fā)展。

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圖1.CITO可飽和吸收體的結(jié)構(gòu)示意圖和其在1340nm的非線性吸收測(cè)試結(jié)果。

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圖2.基于CITO可飽和吸收體的1.34μm被動(dòng)調(diào)Q激光輸出結(jié)果。 (a)輸出功率；(b)脈沖寬度和重復(fù)頻率；(c)單脈沖能量和峰值功率；(d)不同時(shí)間尺度的典型脈沖序列圖；(e)發(fā)射光譜。

該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、中科院特別研究助理資助項(xiàng)目、上海市科委港澳臺(tái)合作計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作局對(duì)外合作重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。

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