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超强激光科学卓越创新简报

(第四百五十期)

2023年11月28日

上海光机所在用于1.3μm高性能固体激光器的脉冲激光调制器件方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所邵建达研究员、赵元安研究员团队，成功研制一种基于波纹结构ITO薄膜（CITO）的可饱和吸收体器件。该器件克服了平面介电常数近零（ENZ）薄膜中的ENZ 场增强效应固有的偏振和角度依赖问题，在0-20°范围内实现了偏振无关的线性和非线性光学性能。相关成果以“A corrugated epsilon-nearzero saturable absorber for a high-performance 1.3 μm solid-state bulk laser”为题发表于Nanoscale。

平面ENZ薄膜中的ENZ场增强效应可以增强光与物质相互作用，产生强的非线性光学效应，减小实际应用的器件尺寸。结合其宽带、互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容、可集成化、高调制速度等优势，ENZ薄膜在基于非线性光学性能的激光器件方面具有重要的应用价值。但ENZ 场增强效应具有固有的窄带、偏振依赖和角度依赖特征，极大地限制了基于ENZ材料的非线性光学器件的ENZ场增强效应有效利用。

本研究提出了利用基于半椭球壳激发单元实现ENZ偏振不敏感和广角激发策略。并进一步构建了基于ENZ半椭球壳阵列的波纹ITO薄膜光耦合结构。利用低成本的自组装工艺，制备了具有对称几何形状的CITO薄膜。研究结果表明，其在1340 nm的0°激光入射下，非线性吸收系数为–609.9 cm/GW，是平面ITO薄膜的8倍。此外，在0–20°的宽角度范围内，CITO薄膜的强非线性光学性能不受泵浦激光入射角和偏振态的限制。利用CITO薄膜优异的非线性光学性能，设计一种新型的ENZ可饱和吸收体，在1.34 μm成功实现了高性能的全固态脉冲激光输出，与平面ITO薄膜相比，基于CITO可饱和吸收体的调Q激光输出脉宽缩窄约10倍。该研究优化了基于ENZ薄膜的可饱和吸收体性能，同时为其他基于ENZ材料的光学器件的角度和偏振依赖问题提供了可靠解决方案，有利于脉冲激光调制器和高性能脉冲激光器的发展。

该工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中科院特别研究助理资助项目、上海市科委港澳台合作计划、中国科学院国际合作局对外合作重点项目的支持。

原文链接

图1 CITO可饱和吸收体的结构示意图和其在1340nm的非线性吸收测试结果。

图2 基于CITO可饱和吸收体的1.34μm被动调Q激光输出结果。 (a)输出功率；(b)脉冲宽度和重复频率；(c)单脉冲能量和峰值功率；(d)不同时间尺度的典型脉冲序列图；(e)发射光谱。

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