Passive Q-switching of an ytterbium-doped fiber (YDF) laser with few-layer topological insulator (TI) is, to the best of our knowledge, experimentally demonstrated for the first time. The few-layer TI: Bi2Se3 (2-4 layer thickness) is fabricated by the liquid-phase exfoliation method, and has a low saturable optical intensity of 53 MW/cm2 measured by the Z-scan technique. The optical deposition technique is used to induce the few-layer TI in the solution onto a fiber ferrule for successfully constructing the fiber-integrated TI-based saturable absorber (SA). By inserting this SA into the YDF laser cavity, stable Q-switching operation at 1.06 {\mu}m is achieved. The Q-switched pulses have the shortest pulse duration of 1.95 {\mu}s, the maximum pulse energy of 17.9 nJ and a tunable pulse-repetition-rate from 8.3 to 29.1 kHz. Our results indicate that the TI as a SA is also available at 1 {\mu}m waveband, revealing its potential as another wavelength-independent SA (like graphene).

We propose and demonstrate 1, 1.5, and 2 μm passively Q-switched fiber lasers by exploiting a few-layer Molybdenum sulfide (MoS 2 ) polymer composite as broadband saturable absorber (SA), respectively. The few-layer MoS 2 nanosheets are prepared by the liquid-phase exfoliation method, and are composited with polyvinyl alcohol (PVA). The PVA-MoS 2 film is sandwiched between two fiber ferrules to form the fiber-compatible SA. The few-layer MoS 2 not only shows good transparency from ultraviolet to mid-infrared spectral region, but also possesses the nonlinear saturable absorption. The modulation depth and saturation optical intensity of the PVA-MoS 2 film are measured to be 1.6% and 13 MW/cm 2 at 1566 nm by the balanced twin-detector technique, respectively. By further inserting the filmy PVA-MoS 2 SA into the cavities of Yb-, Er- and Tm-doped fiber lasers, we achieve stable Q-switching operations at 1.06, 1.56, and 2.03 μm, respectively. The output characteristics of the Q-switched pulses at the three wavelengths have been investigated, respectively. The MoS 2 -based Q-switching enables the large pulse energy of ~1 μJ with a pulse width of 1.76 μs. This is, to the best of our knowledge, the first demonstration of MoS 2 -based Q-switched fiber lasers in a wide wavelength range (from 1 to 2 μm). Our results experimentally confirm that the new-type 2-D material, few-layer MoS 2 , is a promising broadband SA to Q-switch fiber lasers covering all major wavelengths from near- to mid-infrared region.

Passive Q-switching or mode-locking by placing a saturable absorber inside the laser cavity is one of the most effective and popular techniques for pulse generation. However, most of the current saturable absorbers cannot work well in the visible spectral region, which seriously impedes the progress of passively Q-switched/mode-locked visible pulsed fibre lasers. Here, we report a kind of visible saturable absorber-two-dimensional transition-metal dichalcogenides (TMDs, e.g. WS2, MoS2, MoSe2), and successfully demonstrate compact red-light Q-switched praseodymium (Pr(3+))-doped all-fibre lasers. The passive Q-switching operation at 635 nm generates stable laser pulses with ∼200 ns pulse duration, 28.7 nJ pulse energy and repetition rate from 232 to 512 kHz. This achievement is attributed to the ultrafast saturable absorption of these layered TMDs in the visible region, as well as the compact and all-fibre laser-cavity design by coating a dielectric mirror on the fibre end facet. This work may open a new route for next-generation high-performance pulsed laser sources in the visible (even ultraviolet) range.

In this paper, both nonlinear saturable absorption and two-photon absorption (TPA) of few-layer molybdenum diselenide (MoSe2) were observed at 1.56 μm wavelength and further applied to mode-locked ultrafast fiber laser for the first time to our knowledge. Few-layer MoSe2 nanosheets were prepared by liquid-phase exfoliation method and characterized by x ray diffractometer, Raman spectroscopy, and atomic force microscopy. The obtained few-layer MoSe2 dispersion is further composited with a polymer material for convenient fabrication of MoSe2 thin films. Then, we investigated the nonlinear optical (NLO) absorption property of the few-layer MoSe2 film using a balanced twin-detector measurement technique. Both the saturable absorption and TPA effects of the few-layer MoSe2 film were found by increasing the input optical intensity. The saturable absorption shows a modulation depth of 0.63% and a low nonsaturable loss of ∼3.5%, corresponding to the relative modulation depth of 18%. The TPA effect occurred when the input optical intensity exceeds ∼260 MW/cm2. Furthermore, we experimentally exploit the saturable absorption of few-layer MoSe2 film to mode lock an all-fiber erbium-doped fiber laser. Stable soliton mode locking at 1558 nm center wavelength is achieved with pulse duration of 1.45 ps. It was also observed that the TPA process suppresses the mode-locking operation in the case of higher optical intensity. Our results indicate that layered MoSe2, as another two-dimensional nanomaterial, can provide excellent NLO properties (e.g., saturable absorption and TPA) for potential applications in ultrashort pulse generation and optical limiting.

In this paper, Topological insulator (TI) Bi 2 Se 3 as a saturable absorber (SA) is exploited to Q-switch fiber lasers at 2 μm wavelength for the first time. Few-layer TI:Bi 2Se 3 nanosheets in CS-HAc solution are prepared by the liquid-phase exfoliation method, and the thin 2-D structure with the thickness of 3-5 layers is well characterized. The open-aperture Z-scan experiment shows that the few-layer TI:Bi 2Se 3 has the saturable optical intensity of 41 MW/cm 2 at 800 nm and the modulation depth of 3.7%. The optical deposition technique is used to efficiently assemble the TI:Bi 2Se 3 nanosheets in the solution onto a fiber ferrule, therefore constructing a fiber-compatible TI-based SA (FC-TISA). By further inserting the FC-TISA into a diode-pumped Tm 3+ -doped double-clad fiber laser (TM-DCFL), stable Q-switching operation at 1.98 μm is successfully achieved with the shortest pulse width of 4.18 μs and the tunable repetition rate from 8.4 to 26.8 kHz. In particular, the TM-DCFL can deliver large-energy Q-switched pulses with the pulse energy as high as 313 nJ (corresponding to average output power of 8.4 mW). Our results suggest that TI-based SA is suitable for pulsed laser operation in the eye-safe region of 2 μm, and potentially develops as an ultra-broadband photonics device.

Abstract The increasing demand in spectroscopy and sensing calls for mid-IR light sources. Here, we theoretically investigate nonlinear wavelength conversion of Ge 28 Sb 12 Se 60 chalcogenide glass waveguide in the mid-IR spectral regime. With waveguide dispersion engineering, we predict generation of over an octave wavelength (2.8~5.9 μ m) tuning range Raman soliton self-frequency shift, over 2.5 octaves wavelength cover range supercontinuum (1.2~8.0 μ m), as well as single soliton Kerr comb generated in suspended Ge 28 Sb 12 Se 60 waveguide. Our findings evidenced that Ge 28 Sb 12 Se 60 chalcogenide glass waveguides can simultaneously satisfy the generation of Raman soliton self frequency shift, supercontinuum spectrum, and Kerr frequency comb generation through dispersion engineering towards mid-IR on chip.