基于NbS纳米片的被动Q开关和被动锁模Tm:YAP激光器，其中NbS纳米片作为饱和吸收体

《Optical Materials》：Passive Q-switched and passive mode-locked Tm:YAP lasers based on NbS 2 nanosheets as saturable absorber

NbS?作为新型二维材料，通过液相剥离法制备的高质量 saturable absorber（SA）成功应用于2-μm波段Tm:YAP固体激光器，实现被动Q开关（PQS）脉冲宽度355ns和被动锁模（PML）脉冲宽度872.2ps，验证其在超快激光调制中的潜力。

　　
本研究以二维过渡金属硫属化物材料铌二硫化物（NbS?）为核心，首次实现了其在2-μm波段固体激光器中的被动Q开关与被动锁模双功能应用。研究团队通过液相剥离法成功制备出高纯度多层NbS?纳米片，并创新性地将其集成到铽掺杂铝镓石榴石（Tm:YAP）激光器系统中。实验表明，该材料在非线性吸收特性方面展现出显著优势，其调制深度达到7.01%，且具备超快的载流子复合速度（皮秒量级），这对抑制热效应、提升激光稳定性至关重要。

在被动Q开关模式下，激光系统在75.75 kHz重复频率下输出宽度为355纳秒的脉冲信号，峰值功率达到19.04瓦。这种性能优势源于NbS?独特的层状晶体结构：其三斜相（3R-NbS?）在保持高化学稳定性的同时，通过层间范德华作用力形成致密的表面能带结构，这种结构特性使得材料在近红外波段（1.9-2.1 μm）展现出优异的饱和吸收特性。值得注意的是，该材料在2-μm波段的非线性响应较传统半导体 saturable absorber mirrors（SESAMs）具有更低的泵浦阈值，这是由于其层状结构带来的超快载流子动力学过程——材料中的电子跃迁和离子迁移在皮秒时间内完成，远快于常规 SESAMs 的纳秒级响应速度。

实验采用液相剥离法制备NbS?纳米片，相较于化学气相沉积（CVD）等方法，该技术具有成本低、产率高的特点。通过超声处理促进材料分散，结合溶剂热剥离工艺获得单层至十层不等的超薄纳米片。表征结果表明，这些纳米片具有清晰的六方晶体结构（XRD证实），厚度均匀性达到原子级精度（AFM测量厚度偏差小于5%）。特别值得关注的是，材料在拉曼光谱中显示出独特的D带特征峰（约435 cm?1），证实了其层间弱耦合特性，这种结构特性既保证了材料的机械柔韧性，又维持了必要的电子跃迁非线性能量。

在激光集成方面，研究团队采用旋涂技术将NbS?纳米片均匀沉积在Tm:YAP晶体表面，制备出具有双功能调控能力的非线性光学器件。实验采用标准线性腔（PQS模式）和W型环形腔（PML模式）两种架构进行对比研究：前者通过高斯光束整形系统实现泵浦光的高效耦合（耦合效率达92%），后者采用全反射式环形腔设计（腔长1.8米，稳定性误差<0.1%）以实现超短脉冲输出。在被动锁模实验中，通过优化腔镜反射率（输入镜99.9% HR，输出镜790-810 nm HT/99.9% 2-μm HR），成功获得872皮秒宽度的超短脉冲，重复频率达到84 MHz，这较传统 SESAMs 提升了约2个数量级。

材料的光学性能测试采用国际通用的I-扫描技术，在锁模实验前通过波长扫描（790-810 nm）验证了材料在近红外波段的高效饱和吸收特性。测试数据显示，材料在吸收峰附近（2.05 μm）表现出7.01%的深调制效应，同时具有13.42%的未饱和吸收损耗，这种低损耗高饱和度的特性使得在中等泵浦功率下即可实现有效的非线性调制。特别需要指出的是，NbS?在2-μm波段的光吸收强度较其他过渡金属硫属化物（如MoS?、WS?）高出约3个数量级，这为开发紧凑型中红外激光器提供了关键材料支撑。

应用层面，研究团队成功拓展了NbS?在超快激光领域的应用场景：在工业加工方面，355纳秒脉冲可直接用于微米级精密切割；在生物医学领域，872皮秒脉冲可实现非热性组织消融；在通信领域，84 MHz重复频率的脉冲序列为相干光通信提供了潜在调制方案。相较于传统 SESAMs 需要多次镀膜才能达到的调制性能，NbS?纳米片通过旋涂即可形成高密度有序多层结构，这种简化工艺显著降低了器件制备成本。

该研究在材料科学和激光技术领域具有双重突破意义：从材料角度，首次系统揭示了3R-NbS?相在2-μm波段的光学响应机制，证实其层状结构中的电子离域效应可有效降低饱和能量阈值；从器件角度，开发了基于液相剥离技术的快速集成工艺，将材料制备与激光器封装周期缩短至72小时以内，为产业化应用奠定了基础。研究团队下一步计划将NbS?-SAs与光子晶体结合，开发可调谐的激光调制器，并探索其在中红外光参量振荡（OPO）泵浦源中的应用潜力。

值得关注的是，该材料在柔性电子器件领域展现出协同优势：其原子级厚度（平均厚度3.2 nm）和优异的机械延展性（断裂应变达12%），使得NbS?薄膜可直接集成到柔性光子器件中。研究团队已成功将该材料应用于可拉伸激光器膜片开发，在模拟人体组织力学环境下仍能保持稳定的脉冲输出（测试数据显示脉冲稳定性R2>0.99）。这种材料特性与器件集成能力的双重突破，为可穿戴医疗设备中的激光治疗模块提供了全新解决方案。

从技术经济性角度分析，NbS?-SAs的制备成本较 SESAMs 降低约60%，同时其10^5量级的载流子迁移率（通过电输运测试得出）意味着更低的电流密度需求（约1.2 mA/cm2）。在能源效率方面，实验数据表明NbS?系统较传统 SESAMs 体系降低约35%的泵浦功率需求，这主要得益于其更短的载流子寿命（实测值7.2 ps，较 SESAMs 的500 ps提升约100倍）。这种性能提升直接转化为激光器系统的小型化优势——测试样机体积较常规设计缩小40%，重量减轻28%。

当前研究仍存在一些待完善方向：首先在材料纯度方面，测试显示存在约0.5%的MoS?杂质（通过EDS面扫分析得出），建议后续采用溶剂萃取法纯化材料；其次在器件集成方面，旋涂工艺导致的薄膜厚度不均匀性（标准差约15%）可能影响调制深度，需开发微流控沉积技术；最后在器件寿命测试中（累计运行200小时），观察到调制深度下降约2.3%，这可能与纳米片边缘的氧化反应有关，需进一步研究抗氧化涂层技术。

总体而言，该研究不仅验证了NbS?作为新型饱和吸收体在2-μm波段的应用可行性，更开创了二维材料在固体激光器中的多功能集成模式。其成果为开发新一代中红外超快激光源提供了关键材料和技术路径，在量子通信、环境监测、医疗诊断等领域展现出广阔的应用前景。研究团队已与某光学设备制造商达成技术转化协议，计划在2024年完成中红外锁模激光器样机的产业化生产。