物理所等制備出超高非線性的二維材料復(fù)合光纖
【化工儀器網(wǎng) 科技前沿】隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，光纖已成為現(xiàn)代信息社會(huì)的重要支撐。非線性光纖作為一種特殊用途光纖，在新型光纖通訊技術(shù)中具有重要應(yīng)用和發(fā)展前景，并在光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、超快光纖激光和超連續(xù)激光等光物理基礎(chǔ)以及器件研究等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。然而，傳統(tǒng)石英光纖僅表現(xiàn)出微弱的奇數(shù)階非線性效應(yīng)，限制其在非線性光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。當(dāng)前，提高光纖非線性的方法主要分為兩類(lèi)：通過(guò)光纖結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小光纖的有效纖芯面積，進(jìn)而提高光纖非線性；通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)石英光纖纖芯進(jìn)行摻雜(如硫化物)或者直接生長(zhǎng)非石英纖芯(如鍺、硅等)來(lái)增加光纖非線性系數(shù)。但是，以上方法對(duì)光纖非線性提升效果有限且制備成本較高。因此，需要開(kāi)發(fā)具有高非線性光纖的制備方法。
二維原子晶體材料是目前材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，如石墨烯、過(guò)渡金屬硫族化合物和六方氮化硼等，均具有較優(yōu)的物理性能。尤其是光學(xué)特性，不同能帶結(jié)構(gòu)的二維材料可具備從紫外到微波的超快寬帶光學(xué)響應(yīng)、可調(diào)的光與物質(zhì)相互作用和高非線性系數(shù)等特點(diǎn)，掀起二維材料與光纖光學(xué)相結(jié)合的交叉學(xué)科研究熱潮。此前主要通過(guò)轉(zhuǎn)移或涂覆的方式將二維材料與光纖結(jié)合，實(shí)現(xiàn)二維材料的光學(xué)增強(qiáng)效應(yīng)。但是，該方法一般需要人為改變光纖結(jié)構(gòu)(例如側(cè)剖和拉錐光纖)以實(shí)現(xiàn)材料與光纖中傳輸光的倐逝波的耦合，影響光纖的性能，增加不必要的損耗，且轉(zhuǎn)移和涂覆工藝不利于高性能復(fù)合光纖的批量制備。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心白雪冬課題組，中科院院士、北京大學(xué)教授劉忠范，北京大學(xué)研究員劉開(kāi)輝合作，提出一種液相輔助兩步化學(xué)氣相沉積法在多孔光纖孔內(nèi)壁上直接生長(zhǎng)二維過(guò)渡金屬硫族化合物，制備出具有超高非線性的二維材料復(fù)合光纖。該方法解決二維材料前驅(qū)體在大縱橫比光纖中傳質(zhì)不勻的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)多種二維材料及其合金在不同種類(lèi)規(guī)格光纖(空心石英管光纖和光子晶體光纖等)中均勻全覆蓋生長(zhǎng)，長(zhǎng)度可達(dá)25 cm。在此基礎(chǔ)上，研究人員基于復(fù)合光纖的非線性實(shí)部和虛部分別進(jìn)行應(yīng)用研究：(1)非線性實(shí)部：光頻轉(zhuǎn)換應(yīng)用研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，二維材料復(fù)合光纖展示出較強(qiáng)的二次和三次諧波產(chǎn)生，相比于平面石英襯底上的MoS2樣品，該MoS2復(fù)合光纖的非線性信號(hào)增強(qiáng)~300倍，損傷閾值提高3倍，傳輸損耗僅為~0.1 dB/cm。(2)非線性虛部：全光纖超快脈沖激光器的研究。將MoS2復(fù)合光纖用作飽和吸收器，完成全光纖鎖模脈沖激光器的搭建和測(cè)試，具備超窄脈沖寬度~500 fs高重復(fù)頻率~41 MHz等性能。
相關(guān)研究成果以O(shè)ptical fibres with embedded two-dimensional materials for ultrahigh nonlinearity為題，在線發(fā)表在Nature Nanotechnology上，物理所博士后左勇剛為論文共同第一作者。研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(B類(lèi))、國(guó)家自然科學(xué)基金等的資助。
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