RESEARCH ARTICLE

Nonlinear saturable absorption properties of BP/ReS2 heterojunction and its application in 2 µm all-solid-state lasers  

Hongqing Li, Wenjing Tang, Yingshuang Shan, Jing Wang, Kai Jiang, Mingqi Fan, Tao Chen, Cheng Zhou, Wei Xia

2025, 18(3): 14https://doi.org/10.1007/s12200-025-00157-3

Abstract：For 2 µm all-solid-state lasers, pulse modulation methods based on low-dimensional nanomaterial saturable absorbers (SAs) offer advantages such as compact structure, low cost, and ease of implementation. The construction of stable, highly nonlinear low-dimensional nanomaterial SAs is an urgent issue to be addressed. In this paper, two types of black phosphorus/rhenium disulfide (BP/ReS2) heterojunction with high stability were prepared separately by liquid phase exfoliation (LPE) and mechanical exfoliation (ME) methods, the nonlinear saturable absorption characteristics of the two types of heterojunctions have been characterized in detail. Then, the pulse modulation applications of these two materials have been studied in a 2 µm all-solid-state thulium-doped yttrium aluminum perovskite (Tm:YAP) passively Q-switched pulsed laser. The BP/ReS2 heterojunction SA prepared by the LPE method demonstrates a thinner thickness and lower non-saturation optical loss, which achieved the maximum average output power 528 mW at a pump power of 6.37 W, with a narrowest pulse width of 366 ns, and a maximum peak power of 28.85 W. These results indicate that the BP/ReS2 heterojunction SA has great potential for optical modulation device applications.

研究背景

2 μm全固态脉冲激光器因其高光束质量、处于人眼安全波段等特性，在材料加工、激光雷达、医疗手术等领域具有重要应用。被动调Q技术是实现此类脉冲激光器的关键技术，但其核心元件——可饱和吸收体（SA）——在2 μm波段仍面临传统材料种类有限、损伤阈值低、稳定性不足等问题。近年来，二维材料及其异质结构为开发高性能SA提供了新途径。

 主要内容

本文系统研究了黑磷/二硫化铼（BP/ReS₂）异质结的非线性可饱和吸收特性及其在2 μm掺铥钇铝钙钛矿（Tm:YAP）全固态被动调Q激光器中的应用。研究通过理论计算与实验相结合，分析了异质结的能带结构和光学性质，并采用液相剥离（LPE）和机械剥离（ME）两种方法制备了BP/ReS₂异质结SA，分别标记为SA-LPE和SA-ME，并对比了它们的性能。

创新点

• 首次将BP/ReS₂异质结作为可饱和吸收体应用于2 μm全固态调Q激光器中，实现了高效的脉冲输出。

• 通过理论计算揭示了BP/ReS₂异质结的能带结构（带隙0.498 eV）和高度各向异性的光学吸收特性（尤其在[010]方向）。

• 系统比较了LPE和ME两种制备方法对异质结SA性能（如厚度、非饱和损耗、调制深度）的影响，证明LPE法制备的SA具有更优的综合性能。

 方法

• 理论计算： 基于密度泛函理论（DFT）的CASTEP模块计算能带结构和光学吸收谱。

• 材料制备： 分别采用液相剥离法（LPE）和机械剥离法（ME）制备两种BP/ReS₂异质结SA。

• 表征测试： 利用TEM、HRTEM、AFM、EDS、Raman光谱等进行结构和形貌表征；通过Z-scan测试测量非线性透射率，获取调制深度、饱和光强、非饱和损耗等参数。

• 实验： 将两种SA分别置于Tm:YAP激光谐振腔中，构建被动调Q激光器，测量输出功率、脉冲宽度、重复频率、单脉冲能量及峰值功率等性能参数。

结果

• SA-LPE的调制深度为11.50%，非饱和损耗为7.15%；SA-ME的调制深度为14.90%，非饱和损耗为19.70%。

• 在泵浦功率为6.37 W时，基于SA-LPE的激光器获得了最佳性能：最大平均输出功率528 mW，最窄脉冲宽度366 ns，重复频率50 kHz，对应的单脉冲能量为10.56 μJ，峰值功率高达28.85 W。

• 与SA-ME及其他已报道的二维材料SA（如石墨烯、BP、ReS₂、WSe₂等）相比，基于BP/ReS₂异质结（SA-LPE）的激光器在峰值功率和脉冲宽度方面展现出显著优势。

• 两种SA均表现出良好的长期工作稳定性，证明了BP/ReS₂异质结作为SA用于全固态激光器的可靠性。

综上所述，本研究成功制备并验证了BP/ReS₂异质结作为高性能可饱和吸收体在2 μm脉冲激光中的应用潜力，特别是LPE法制备的SA表现优异，为发展中红外波段的光调制器件提供了新方案。

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