Mid-infrared (MIR) pulsed lasers operating in the ∼3 μm region play a crucial role in various applications, including molecular spectroscopy, ultrafast molecular imaging, and laser-assisted surgery. Despite recent advancements in MIR gain platforms, a notable technological challenge remains in the absence of an effective optical Q-switch. Here, a remarkable optical Q-switch in the 3 μm region based on a Dirac semimetal PtTe2 saturable absorber is realized. By modulating the surface state of PtTe2, the pulsed laser exhibited an increase in average power, escalating from 521 to 588 mW, accompanied by a significant decrease in pulse width from 368 to 187 ns. Nondegenerate pump–probe measurements showed that the recombination rate of the photocarrier in thinner PtTe2 nanoplates was effectively accelerated, primarily attributed to the substantial increase in surface state density, leading to better saturable absorption performance. As the thickness of the PtTe2 nanoplates decreases, the nonsaturable loss decreases from 12% to 3%, while the modulation depth increases from 6% to 12%. The enhanced ultrafast nonlinear absorption enables flexible modulation of saturation absorption parameters, which endows high-performance MIR pulsed laser generation.

1.
Y.
Zhao
,
S.
Kusama
,
Y.
Furutani
,
W. H.
Huang
,
C. W.
Luo
, and
T.
Fuji
,
Nat. Commun.
14
(
1
),
3923
(
2023
).
2.
Y.
Kobayashi
,
C.
Heide
,
A. C.
Johnson
,
V.
Tiwari
,
F.
Liu
,
D. A.
Reis
,
T. F.
Heinz
, and
S.
Ghimire
,
Nat. Phys.
19
(
2
),
171
176
(
2023
).
3.
G.
Granger
,
M.
Bailly
,
H.
Delahaye
,
C.
Jimenez
,
I.
Tiliouine
,
Y.
Leventoux
,
J. C.
Orlianges
,
V.
Couderc
,
B.
Gérard
,
R.
Becheker
,
S.
Idlahcen
,
T.
Godin
,
A.
Hideur
,
A.
Grisard
,
E.
Lallier
, and
S.
Février
,
Light
12
(
1
),
252
(
2023
).
4.
N.
Hoghooghi
,
S. D.
Xing
,
P.
Chang
,
D.
Lesko
,
A.
Lind
,
G.
Rieker
, and
S.
Diddams
,
Light
11
(
1
),
264
(
2022
).
5.
P.
Täschler
,
M.
Betrand
,
B.
Schneider
,
M.
Singleton
,
P.
Jouy
,
M.
Beck
, and
J.
Faist
,
Nat. Photonics
15
(
12
),
919
924
(
2021
).
6.
B.
Hu
,
X.
Yang
,
J.
Wu
,
S.
Lu
,
H.
Yang
,
Z.
Long
,
L.
He
,
X.
Luo
,
K.
Tian
,
W.
Wang
,
Y.
Li
,
H.
Wu
,
W.
Li
,
C.
Guo
,
H.
Yang
,
Q. J.
Wang
, and
H.
Liang
,
Nat. Commun.
14
(
1
),
7125
(
2023
).
7.
J.
Riemensberger
,
N.
Kuznetsov
,
J. Q.
Liu
,
J. J.
He
,
R. N.
Wang
, and
T. J.
Kippenberg
,
Nature
612
(
7938
),
56
(
2022
).
8.
P.
Steinleitner
,
N.
Nagl
,
M.
Kowalczyk
,
J. W.
Zhang
,
V.
Pervak
,
C.
Hofer
,
A.
Hudzikowski
,
J.
Sotor
,
A.
Weigel
,
F.
Krausz
, and
K. F.
Mak
,
Nat. Photonics
16
(
7
),
512
(
2022
).
9.
J. T.
Liu
,
F.
Yang
,
J. P.
Lu
,
S.
Ye
,
H. W.
Guo
,
H. K.
Nie
,
J. L.
Zhang
,
J. L.
He
,
B. T.
Zhang
, and
Z. H.
Ni
,
Nat. Commun.
13
(
1
),
3855
(
2022
).
10.
G.
Soavi
,
G.
Wang
,
H.
Rostami
,
D. G.
Purdie
,
D.
De Fazio
,
T.
Ma
,
B. R.
Luo
,
J. J.
Wang
,
A. K.
Ott
,
D.
Yoon
,
S. A.
Bourelle
,
J. E.
Muench
,
I.
Goykhman
,
S.
Dal Conte
,
M.
Celebrano
,
A.
Tomadin
,
M.
Polini
,
G.
Cerullo
, and
A. C.
Ferrari
,
Nat. Nanotechnol.
13
(
7
),
583
(
2018
).
11.
T.
Jiang
,
D.
Huang
,
J. L.
Cheng
,
X. D.
Fan
,
Z. H.
Zhang
,
Y. W.
Shan
,
Y. F.
Yi
,
Y. Y.
Dai
,
L.
Shi
,
K. H.
Liu
,
C. G.
Zeng
,
J.
Zi
,
J. E.
Sipe
,
Y. R.
Shen
,
W. T.
Liu
, and
S. W.
Wu
,
Nat. Photonics
12
(
7
),
430
(
2018
).
12.
Z. Y.
Shi
,
X.
Zhang
,
X. Q.
Lin
,
G. G.
Liu
,
C. Y.
Ling
,
S. B.
Xi
,
B.
Chen
,
Y. Y.
Ge
,
C. L.
Tan
,
Z. C.
Lai
,
Z. Q.
Huang
,
X. Y.
Ruan
,
L.
Zhai
,
L. J.
Li
,
Z. J.
Li
,
X. X.
Wang
,
G. H.
Nam
,
J. W.
Liu
,
Q. Y.
He
,
Z. Q.
Guan
,
J. L.
Wang
,
C. S.
Lee
,
A. R. J.
Kucernak
, and
H.
Zhang
,
Nature
621
(
7978
),
300
(
2023
).
13.
L.
Liu
,
T. T.
Li
,
L.
Ma
,
W. S.
Li
,
S.
Gao
,
W. J.
Sun
,
R. K.
Dong
,
X. L.
Zou
,
D. X.
Fan
,
L. W.
Shao
,
C. Y.
Gu
,
N. X.
Dai
,
Z. H.
Yu
,
X. Q.
Chen
,
X. C.
Tu
,
Y. F.
Nie
,
P.
Wang
,
J. L.
Wang
,
Y.
Shi
, and
X. R.
Wang
,
Nature
605
(
7908
),
69
(
2022
).
14.
H.
Fang
,
Q.
Lin
,
Y.
Zhang
,
J.
Thompson
,
S.
Xiao
,
Z.
Sun
,
E.
Malic
,
S. P.
Dash
, and
W.
Wieczorek
,
Nat. Commun.
14
(
1
),
6910
(
2023
).
15.
Y.
Wang
,
J. C.
Kim
,
Y.
Li
,
K. Y.
Ma
,
S.
Hong
,
M.
Kim
,
H. S.
Shin
,
H. Y.
Jeong
, and
M.
Chhowalla
,
Nature
610
(
7930
),
61
(
2022
).
16.
T. X.
Dai
,
Y. T.
Ao
,
J.
Mao
,
Y.
Yang
,
Y.
Zheng
,
C. H.
Zhai
,
Y. D.
Li
,
J. Z.
Yuan
,
B.
Tang
,
Z. H.
Li
,
J.
Luo
,
W. W.
Wang
,
X. Y.
Hu
,
Q. H.
Gong
, and
J. W.
Wang
,
Nat. Phys.
20
,
101
108
(
2023
).
17.
S.
Kiriushechkina
,
A.
Vakulenko
,
D.
Smirnova
,
S.
Guddala
,
Y.
Kawaguchi
,
F.
Komissarenko
,
M.
Allen
,
J.
Allen
, and
A. B.
Khanikaev
,
Nat. Nanotechnol.
18
(
8
),
875
(
2023
).
18.
Z. H.
Ge
,
S.
Slizovskiy
,
P.
Polizogopoulos
,
T.
Joshi
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
D.
Lederman
,
V. I.
Fal'ko
, and
J.
Velasco
,
Nat. Nanotechnol.
18
(
3
),
250
(
2023
).
19.
C. H.
Zhu
,
F. Q.
Wang
,
Y. F.
Meng
,
X.
Yuan
,
F. X.
Xiu
,
H. Y.
Luo
,
Y. Z.
Wang
,
J. F.
Li
,
X. J.
Lv
,
L.
He
,
Y. B.
Xu
,
J. F.
Liu
,
C.
Zhang
,
Y.
Shi
,
R.
Zhang
, and
S. N.
Zhu
,
Nat. Commun.
8
,
14111
(
2017
).
20.
E.
Riccardi
,
V.
Pistore
,
S. G.
Kang
,
L.
Seitner
,
A.
De Vetter
,
C.
Jirauschek
,
J.
Mangeney
,
L. H.
Li
,
A. G.
Davies
,
E. H.
Linfield
,
A. C.
Ferrari
,
S. S.
Dhillon
, and
M. S.
Vitiello
,
Nat. Photonics
17
(
7
),
607
(
2023
).
21.
X. T.
Jiang
,
S. X.
Liu
,
W. Y.
Liang
,
S. J.
Luo
,
Z. L.
He
,
Y. Q.
Ge
,
H. D.
Wang
,
R.
Cao
,
F.
Zhang
,
Q.
Wen
,
J. Q.
Li
,
Q. L.
Bao
,
D. Y.
Fan
, and
H.
Zhang
,
Laser Photonics Rev.
12
(
2
),
1700229
(
2018
).
22.
J. X.
Sun
,
H. R.
Cheng
,
L. J.
Xu
,
B.
Fu
,
X. H.
Liu
, and
H.
Zhang
,
ACS Photonics
10
(
9
),
3133
3142
(
2023
).
23.
Y. I.
Jhon
,
J.
Koo
,
B.
Anasori
,
M.
Seo
,
J. H.
Lee
,
Y.
Gogotsi
, and
Y. M.
Jhon
,
Adv. Mater.
29
(
40
),
1702496
(
2017
).
24.
S.
Durbach
,
F. T.
Krauss
,
M.
Hoffmann
,
V.
Lehmann
,
H.
Reinhardt
,
J.
Sundermeyer
, and
N.
Hampp
,
ACS Nano
16
,
10412
(
2022
).
25.
F.
Ceballos
,
M. Z.
Bellus
,
H. Y.
Chiu
, and
H.
Zhao
,
ACS Nano
8
(
12
),
12717
12724
(
2014
).
26.
S.
Song
,
I.
Oh
,
S.
Jang
,
A.
Yoon
,
J.
Han
,
Z.
Lee
,
J. W.
Yoo
, and
S. Y.
Kwon
,
iScience
25
(
11
),
105346
(
2022
).
27.
W. Z.
Yu
,
Z.
Dong
,
H. R.
Mu
,
G. H.
Ren
,
X. Y.
He
,
X.
Li
,
S. H.
Lin
,
K.
Zhang
,
Q. L.
Bao
, and
S.
Mokkapati
,
ACS Nano
16
(
8
),
12922
12929
(
2022
).
28.
L. H.
Zeng
,
D.
Wu
,
J. S.
Jie
,
X. Y.
Ren
,
X.
Hu
,
S. P.
Lau
,
Y.
Chai
, and
Y. H.
Tsang
,
Adv. Mater.
32
(
52
),
2004412
(
2020
).
29.
J. B.
Hu
,
L. L.
Yang
,
L. L.
Chen
,
J.
Huang
,
H.
Zhu
,
L. L.
Miao
, and
C. J.
Zhao
,
Laser Phys. Lett.
19
(
7
),
075107
(
2022
).
30.
P.
Suo
,
S. N.
Yan
,
R. H.
Pu
,
W. J.
Zhang
,
D.
Li
,
J. M.
Chen
,
J. B.
Fu
,
X.
Lin
,
F.
Miao
,
S. J.
Liang
,
W. M.
Liu
, and
G. H.
Ma
,
Photonics Res.
10
(
3
),
653
661
(
2022
).
31.
S. B.
Seo
,
S.
Nah
,
J.
Song
, and
S.
Sim
,
ACS Photonics
9
(
5
),
1783
1792
(
2022
).
32.
S. X.
Liu
,
G.
Li
,
F.
Zhu
,
H. F.
Huang
,
J. S.
Lu
,
J. L.
Qu
,
L.
Li
, and
Q.
Wen
,
Adv. Funct. Mater.
32
(
17
),
2212252
(
2022
).
33.
J.
Yu
,
X. F.
Kuang
,
J. Z.
Li
,
J. H.
Zhong
,
C.
Zeng
,
L. K.
Cao
,
Z. W.
Liu
,
Z. X. S.
Zeng
,
Z. Y.
Luo
,
T. C.
He
,
A. L.
Pan
, and
Y. P.
Liu
,
Nat. Commun.
12
(
1
),
1083
(
2021
).
34.
H.
Fang
,
H.
Mahalingam
,
X.
Li
,
X.
Han
,
Z.
Qiu
,
Y.
Han
,
K.
Noori
,
D.
Dulal
,
H.
Chen
,
P.
Lyu
,
T.
Yang
,
J.
Li
,
C.
Su
,
W.
Chen
,
Y.
Cai
,
A. H. C.
Neto
,
K. S.
Novoselov
,
A.
Rodin
, and
J.
Lu
,
Nat. Nanotechnol.
18
,
1401
1408
(
2023
).
35.
W.
Choi
,
J.
Ahn
,
K. T.
Kim
,
H. J.
Jin
,
S.
Hong
,
D. K.
Hwang
, and
S.
Im
,
Adv. Mater.
33
(
38
),
2103079
(
2021
).
36.
A.
Aljarb
,
J. H.
Fu
,
C. C.
Hsu
,
C. P.
Chuu
,
Y.
Wan
,
M.
Hakami
,
D. R.
Naphade
,
E.
Yengel
,
C. J.
Lee
,
S.
Brems
,
T. A.
Chen
,
M. Y.
Li
,
S. H.
Bae
,
W. T.
Hsu
,
Z.
Cao
,
R.
Albaridy
,
S.
Lopatin
,
W. H.
Chang
,
T. D.
Anthopoulos
,
J.
Kim
,
L. J.
Li
, and
V.
Tung
,
Nat. Mater.
19
(
12
),
1300
(
2020
).
37.
L. J.
Pi
,
L.
Li
,
K. L.
Liu
,
Q. F.
Zhang
,
H. Q.
Li
, and
T. Y.
Zhai
,
Adv. Funct. Mater.
29
(
51
),
1904932
(
2019
).
38.
J. T.
Liu
,
S.
Ye
,
H. W.
Guo
,
Y. P.
Yao
,
X.
Zhou
,
H. K.
Nie
,
R. H.
Wang
,
K. J.
Yang
,
J. L.
He
, and
B. T.
Zhang
,
Opt. Laser Technol.
166
,
109635
(
2023
).
39.
S.
Kar
,
Y.
Su
,
R. R.
Nair
, and
A. K.
Sood
,
ACS Nano
9
(
12
),
12004
12010
(
2015
).
40.
J.
Yin
,
E.
Fathi
,
H. Z.
Siboni
,
C.
Xu
, and
D. Y.
Ban
,
Appl. Phys. Lett.
118
(
2
),
021105
(
2021
).
41.
H. N.
Wang
,
C. J.
Zhang
, and
F.
Rana
,
Nano Lett.
15
(
12
),
8204
8210
(
2015
).
42.
H. N.
Wang
,
C. J.
Zhang
, and
F.
Rana
,
Nano Lett.
15
(
1
),
339
345
(
2015
).
43.
J. T.
Liu
,
H.
Yang
,
V.
Khayrudinov
,
H.
Lipsanen
,
H. K.
Nie
,
K. J.
Yang
,
B. T.
Zhang
, and
J. L.
He
,
Photonics Res.
9
(
9
),
1811
1819
(
2021
).
44.
K. P.
Wang
,
Y. Y.
Feng
,
C. X.
Chang
,
J. X.
Zhan
,
C. W.
Wang
,
Q. Z.
Zhao
,
J. N.
Coleman
,
L.
Zhang
,
W. J.
Blau
, and
J.
Wang
,
Nanoscale
6
(
18
),
10530
10535
(
2014
).
45.
M.
Stavrou
,
N.
Chazapis
,
V.
Arapakis
,
V.
Georgakilas
, and
S.
Couris
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
15
(
29
),
35391
35399
(
2023
).
46.
H.
Jiang
,
Y. A.
Zhao
,
H.
Ma
,
Y.
Wu
,
M. L.
Chen
,
M. X.
Wang
,
W. L.
Zhang
,
Y. J.
Peng
,
Y. X.
Leng
,
Z. L.
Cao
, and
J. D.
Shao
,
ACS Nano
16
(
8
),
12878
12888
(
2022
).
47.
C. Y.
Feng
,
W. C.
Qiao
,
Y. Z.
Liu
,
J. C.
Huang
,
Y. Y.
Liang
,
Y. F.
Zhao
,
Y. Z.
Song
, and
T.
Li
,
Opt. Lett.
46
(
6
),
1385
1388
(
2021
).
48.
Y. P.
Yao
,
N.
Cui
,
Q. G.
Wang
,
L. L.
Dong
,
S. D.
Liu
,
D. L.
Sun
,
H. Y.
Zhang
,
D. H.
Li
,
B. T.
Zhang
, and
J. L.
He
,
Opt. Lett.
44
(
11
),
2839
2842
(
2019
).
49.
Y. Y.
Liang
,
T.
Li
,
J.
Zhao
,
W. C.
Qiao
,
G. Q.
Li
,
T. L.
Feng
,
S. Y.
Zhang
, and
S. Z.
Zhao
,
Opt. Laser Technol.
121
,
105791
(
2020
).
50.
M.
Fan
,
T.
Li
,
J.
Zhao
,
S.
Zhao
,
G.
Li
,
K.
Yang
,
L.
Su
,
H.
Ma
, and
C.
Krankel
,
Opt. Lett.
43
(
8
),
1726
1729
(
2018
).
51.
J. H.
Xu
,
M.
Li
, and
Y. Q.
Chen
,
Laser Phys.
29
(
5
),
055802
(
2019
).
52.
H. K.
Nie
,
Q. Q.
Hu
,
B. T.
Zhang
,
X. L.
Sun
,
H. L.
Tian
,
Y. R.
Wang
,
B. Z.
Yan
,
Z. T.
Jia
,
K. J.
Yang
,
X. T.
Tao
, and
J. L.
He
,
IEEE Photonics Technol. Lett.
30
(
15
),
1400
1403
(
2018
).
53.
H. K.
Nie
,
X. L.
Sun
,
B. T.
Zhang
,
B. Z.
Yan
,
G. R.
Li
,
Y. R.
Wang
,
J. T.
Liu
,
B. N.
Shi
,
S. D.
Liu
, and
J. L.
He
,
Opt. Lett.
43
(
14
),
3349
3352
(
2018
).
54.
X. F.
Guan
,
L. J.
Zhan
,
Z. W.
Zhu
,
B.
Xu
,
H. Y.
Xu
,
Z. P.
Cai
,
W. W.
Cai
,
X. D.
Xu
,
J.
Zhang
, and
J.
Xu
,
Appl. Opt.
57
(
3
),
371
376
(
2018
).
55.
C.
Li
,
Q.
Yang
,
Y.
Zu
,
S. Z. U.
Din
,
Y.
Yue
,
R.
Zhai
, and
Z.
Jia
,
Nanomaterials
13
(
13
),
1989
(
2023
).
You do not currently have access to this content.