Волоконный эр-легированный лазер с синхронизацией режима с использованием насыщающегося поглотителя MoS2 / SiO2

Введение

Нелинейно-оптические материалы, особенно с двумерной структурой, лежат в основе развития оптоэлектроники [1,2,3,4,5]. Графен интенсивно исследовался как оптический модулятор для использования в различных импульсных лазерах, и были получены отличные результаты [6, 7]. В последнее время появилось множество новых 2D-материалов, таких как топологические изоляторы [8, 9], дихалькогенид переходных металлов (TMD) [10,11,12,13,14], черный фосфор [15], MXene [16], висмутен [17], металлоорганические каркасы [18] и перовскит [19] продемонстрировали широкополосную оптическую нелинейность. Кроме того, эти 2D-материалы рассматриваются как перспективные материалы для оптических модуляторов следующего поколения [20, 21]. MoS ₂ представляет собой типичный TMD-полупроводник с кристаллическими слоями, состоящими из трех чередующихся гексагональных плоскостей Mo и S [22]. В зависимости от степени координации и степени окисления атомов переходных металлов MoS ₂ могут быть полупроводниковыми или металлическими по своей природе. Широкополосное насыщающееся поглощение и высокая нелинейная восприимчивость третьего порядка были тщательно изучены [23,24,25]. Последние работы демонстрируют, что MoS ₂ имеет лучший насыщаемый отклик поглощения, чем графен, благодаря использованию техники Z-сканирования с открытой апертурой для получения сверхбыстрых нелинейно-оптических свойств [26, 27]. На основе MoS ₂ материалы, соответствующие устройства оптического модулятора были успешно использованы для импульсных лазеров. Пока что импульсные волоконные лазеры с MoS ₂ на различных центральных длинах волн:635 нм, 980 нм, 1030 нм, 1560 нм, 1925 нм и 2950 нм [28,29,30,31,32,33]. Сверхбыстрые волоконные лазеры на основе MoS ₂ Сообщалось также об излучении импульсов с длительностью от сотен фемтосекунд до нескольких пикосекунд [34, 35]. Кроме того, импульсные волоконные лазеры с высокой частотой следования импульсов с MoS ₂ реализованы [36, 37].

Обычно MoS ₂ наноматериалы производятся с помощью метода механического отшелушивания (ME) [38], метода жидкофазного отшелушивания (LPE) [39], гидротермального метода [40, 41], метода химического осаждения из паровой фазы (CVD) [42], импульсного лазерного осаждения (PLD). метод [43] и метод осаждения методом магнетронного распыления (MSD) [44]. У каждого метода есть свои сильные и слабые стороны. Например, метод ME - это первый описанный метод получения слоистой структуры MoS ₂ . Однако этот метод имеет недостатки, заключающиеся в плохой масштабируемости и низкой доходности, что затрудняет работу с крупномасштабными приложениями. Чтобы преодолеть недостатки метода ME, CVD предлагает управляемый подход для производства одно- и многослойных MoS ₂ . В то время как для MoS ₂ роста, часто бывает необходимо предварительно обработать субстрат. PLD и MSD должны быть идеальными методами для выращивания высококачественного MoS ₂ пленка непосредственно с разными размерами и площадями, но с множеством дефектов кристаллов. Сообщенная технология для включения MoS ₂ в волоконных лазерах можно в основном разделить на два метода:(1) прямое размещение MoS ₂ на основе SA между двумя оптоволоконными соединителями путем смешивания MoS ₂ наноматериалов в полимерную пленку и (2) нанесение MoS ₂ наноматериалы на сужающемся волокне или волокне D-образной формы за счет взаимодействия исчезающих волн. MoS типа сэндвич ₂ оптические модуляторы обладают преимуществами гибкости и удобства. У него также есть слабое место - низкие термические повреждения. Метод кратковременных волн может повысить порог повреждения СА, но он имеет недостаток - хрупкость. Для практических целей необходимо упаковать оптические модуляторы с конусным волокном или D-образные волоконно-оптические модуляторы, что значительно усложняет процедуру изготовления. Следовательно, создание хорошо контролируемого MoS ₂ наноматериалы по-прежнему требуют более глубокого изучения, и улучшение эффективных методов производства по-прежнему является давней целью.

В этой статье мы демонстрируем новый метод подготовки MoS ₂ / SiO ₂ композиционные материалы путем легирования MoS ₂ наноматериалы в золь-гель стекле. Как известно, золь-гель метод представляет собой зрелый подход к приготовлению стекла при низких температурах [45, 46]. Допинг MoS ₂ Наноматериалы в золь-гелевом стекле не только обладают хорошими антиоксидантными свойствами, но также могут эффективно повышать механическую стабильность. Кроме того, золь-гель стекло имеет хороший коэффициент преломления, соответствующий оптическому волокну. Следовательно, этот тип композитного материала показывает высокий порог экологического ущерба. За счет включения предлагаемого MoS ₂ / SiO ₂ В резонатор EDF-лазера мы реализуем два режима синхронизации мод. При мощности накачки 90 мВт достигается обычная солитонная синхронизация мод. Длительность импульса 780 фс. В диапазоне мощностей накачки 100–600 мВт реализуется еще одна стабильная операция синхронизации мод. Ширина импульса 1,21 пс, максимальная выходная мощность 5,11 мВт. Результаты показывают, что MoS ₂ / SiO ₂ композитные материалы обладают большим потенциалом для применения в волоконных лазерах с синхронизацией мод.

Методы

MoS ₂ / SiO ₂ Процедура подготовки композитных материалов

MoS ₂ / SiO ₂ композитные материалы получают золь-гель методом. На первом этапе MoS ₂ Дисперсия приготовлена ​​методом жидкофазного отшелушивания. Один миллиграмм MoS ₂ нанолисты помещают в 10 мл деионизированной воды. Затем MoS ₂ диспергирование производится ультразвуком в течение 6 часов, а мощность ультразвукового очистителя устанавливается равной 90 Вт. После процесса центрифугирования мы получаем стабильный MoS ₂ решение. С другой стороны, тетраэтоксисилан (TEOS), этанол и деионизированная вода смешиваются для приготовления золь-гель стекла. На следующем этапе MoS ₂ раствор и смесь TEOS смешиваются. Затем MoS ₂ и смесь TEOS перемешивают с образованием MoS ₂ -магированное стекло. В это время в полученную смесь добавляют соляную кислоту, чтобы контролировать pH на низком уровне. Посредством процессов гидролиза и поликонденсации MoS ₂ -дегированный золь кремнезема. Процесс гидролиза и поликонденсации можно описать как следующие реакции:

В процессе гидролиза алкоксидные группы TEOS заменяются гидроксильными группами. В процессе поликонденсации группы Si-OH образуют сетки Si-O-Si. Во избежание растрескивания золь-гель стекла и MoS ₂ агломерация, MoS ₂ золь кремнезема, допированный примесью, перемешивают при 50 ° C в течение 5 часов. Затем MoS ₂ золь кремнезема, легированный примесью, помещают в пластиковые ячейки и выдерживают при комнатной температуре в течение 48 часов. На последнем этапе поместите золь кремнезема в сухой ящик при 60 ° C на 1 неделю, чтобы образовался твердый MoS ₂ . легированное стекло.

Полость для волоконного лазера

Компоновка лазера EDF с MoS ₂ / SiO ₂ композитный материал показан на рис. 1. Используется кольцевой резонатор лазера. Источником накачки является волоконный лазерный диод (LD) с максимальной выходной мощностью 650 мВт, который доставляет лазер накачки в лазерный резонатор через мультиплексор с разделением по длине волны (WDM). В качестве усиливающей среды используется EDF длиной 1,2 м. Независимый от поляризации изолятор (PI-ISO) используется для обеспечения однонаправленной работы в резонаторе кольцевого лазера. Контроллер поляризации (ПК) задействован для достижения различных состояний поляризации. MoS ₂ / SiO ₂ композитный материал зажат между двумя ферулами. Оптический соединитель 10/90 используется на выходном порте лазерного резонатора. Общая длина резонатора лазерного генератора составляет около 13,3 м.

Экспериментальная установка волоконного лазера EDF с синхронизацией мод

Результаты и обсуждение

Характеристика MoS ₂ / SiO ₂ Композитные материалы

Как показано на рис. 2а, приготовленный MoS ₂ / SiO ₂ композитный материал коричневого цвета, обозначающий MoS ₂ нанолисты включены в кварцевое стекло. На рис. 2b показано изображение, полученное с помощью SEM. MoS ₂ / SiO ₂ Композитный материал также характеризуется энергодисперсионным рентгеновским спектрометром (EDS). На рисунке 3 показан спектр EDS, который показывает, что приготовленный MoS ₂ / SiO ₂ стекло содержит три элемента (Mo, S и Si). Нелинейно-оптические свойства MoS ₂ / SiO ₂ стекла исследуются сбалансированной системой измерения с двумя детекторами. Источником импульсного лазера является самодельный волоконный лазер EDF с центральной длиной волны 1550 нм, длительностью импульса 500 фс и частотой следования 23 МГц. Как видно из рис. 4, глубина модуляции (ΔT) и насыщаемая интенсивность (I _sat ) составляют 3,5% и 20,15 МВт / см ² , соответственно. Фемтосекундный титан-сапфировый лазер (центральная длина волны 800 нм, ширина импульса 250 фс, частота повторения 100 кГц) используется в качестве источника для исследования теплового повреждения MoS ₂ / SiO ₂ композитный материал. Оптическое повреждение MoS ₂ / SiO ₂ появляется, когда испытательная мощность установлена ​​на 3,46 Дж / см ² , что намного выше, чем у полупроводниковых зеркал с насыщающимся поглотителем (SESAM) (500 мкДж / см ² ).

а Цифровые фотографии. б Изображение SEM

Спектр ЭЦП

Нелинейно-оптические свойства MoS ₂ / SiO ₂ композитные материалы

MoS ₂ / SiO ₂ Волоконный лазер с синхронизацией режима

Результаты обычных экспериментов с синхронизацией мод солитонов показаны на рис. 5. Операция синхронизации мод наблюдается при мощности накачки 90 мВт, сопровождающейся явлением гистерезиса [47]. Уменьшая мощность накачки до 75 мВт, состояние синхронизации мод все еще сохраняется. Оптический спектр импульсов синхронизации мод при мощности накачки 90 мВт представлен на рис. 5а. Центральная длина волны находится на уровне 1557 нм, а спектральная ширина по уровню 3 дБ составляет 6 нм. Хорошо видно, что боковые полосы Келли появились по обе стороны спектра симметрично, что указывает на то, что волоконный лазер работает в обычном состоянии солитонной синхронизации мод. На рисунке 5b показаны характеристики последовательности импульсов, которая имеет равномерную интенсивность. Интервал двух импульсов составляет 64,2 нс, что соответствует времени обхода резонатора. Для дальнейшего исследования стабильности солитонного импульса измеряется радиочастотный спектр. На рисунке 5c показано, что основная частота повторения составляет 15,76 МГц, а отношение сигнал / шум (SNR) составляет 65 дБ. Длительность импульса измеряется автокоррелятором. На рис. 5г показана автокорреляционная кривая. Полная ширина на полувысоте (FWHM) составляет 1,21 пс, что означает, что длительность импульса составляет 780 фс, если Sech ² подходит используется. Мы просто увеличиваем мощность накачки до 100 мВт и оставляем ПК неизменным, лазер переходит в режим многоимпульсной работы с синхронизацией мод, проявляя нестабильность и флуктуации, что означает, что синхронизация мод работает в узком диапазоне накачки.

Результаты обычных солитонных экспериментов: а оптический спектр, b последовательность импульсов, c радиочастотный спектр, d трассировка автокорреляции

В ходе экспериментов мы достигаем другого состояния синхронизации мод. Регулируя мощность накачки до 100 мВт и вращая ПК, мы получаем это рабочее состояние с синхронизацией мод. На рис. 6а записан соответствующий оптический спектр. Оптический спектр становится все шире и шире с увеличением мощности накачки. Постепенно увеличивая мощность накачки до 600 мВт, эту операцию синхронизации мод можно всегда поддерживать. Обнаружено, что стороны проявляются в оптическом спектре с относительно небольшой интенсивностью. Центральная длина волны составляет 1557 нм, а спектральная ширина 3 дБ составляет 4 нм при мощности накачки 600 мВт. Осциллограмма для состояния синхронизации мод изображена на рис. 6b; интервал между двумя импульсами составляет 64,2 нс, что подтверждает, что волоконный лазер работает в режиме основной синхронизации мод. Кривая автокорреляции показана на рис. 6 (c), полная ширина на полувысоте (FWHM) составляет 1,97 пс, что означает, что длительность импульса составляет 1,21 пс, если Sech ² подходит используется. Характеристики средней выходной мощности показаны на рис. 6г. С увеличением мощности накачки средняя выходная мощность увеличивается почти линейно. Максимальная выходная мощность составляет 5,11 мВт при мощности накачки 600 мВт.

Результаты экспериментов: а оптический спектр, b последовательность импульсов, c трасса автокорреляции, d выходная мощность

Заключение

В заключение мы сообщили о MoS ₂ / SiO ₂ композитные материалы, которые получают путем включения MoS ₂ наноматериалы в золь-гель стекле. Спектр EDS определяет основной компонент подготовленного MoS ₂ / SiO ₂ стекло. Глубина модуляции и насыщаемая интенсивность MoS ₂ / SiO ₂ композитные материалы составляют 3,5% и 20,15 МВт / см ² , соответственно. Волоконный лазер с синхронизацией мод с MoS ₂ / SiO ₂ дополнительно демонстрируется. Обычное солитонное состояние синхронизации мод с длительностью импульса 780 фс реализуется при мощности накачки 90 мВт. В диапазоне мощностей накачки 100–600 мВт представлено еще одно устойчивое состояние синхронизации мод. Ширина импульса 1,21 пс, максимальная выходная мощность 5,11 мВт. Наши результаты показывают, что MoS ₂ / SiO ₂ композитные материалы имеют хорошие перспективы в сверхбыстрой фотонике, а золь-гель метод открывает новый путь для изготовления оптических устройств TMD.

Сокращения

2D:

Двумерный

CVD:

Химическое осаждение из паровой фазы

EDF:

Волокно, легированное Er

EDS:

Энергодисперсионный рентгеновский спектрометр

FWHM:

Полная ширина на половине максимальной

Я _сел :

Насыщенная интенсивность

LD:

Лазерный диод

LPE:

Жидкофазное отшелушивание

ME:

Механическое отшелушивание

MSD:

Осаждение магнетронным распылением

ПК:

Контроллер поляризации

PI-ISO:

Независимый от поляризации изолятор

PLD:

Импульсное лазерное напыление

SA:

Насыщенный поглотитель

SESAM:

Зеркало полупроводникового насыщающегося поглотителя

SNR:

Соотношение сигнал / шум

TEOS:

Тетраэтоксисилан

TMD:

Дихалькогенид переходного металла

WDM:

Мультиплексор с разделением по длине волны

ΔT:

Глубина модуляции