Mode-Locked Er-Doped Fiber Laser door gebruik te maken van MoS2/SiO2 verzadigbare absorber

Inleiding

Niet-lineaire optische materialen, vooral die met 2D-structuren, leggen de basis voor de ontwikkeling van opto-elektronica [1,2,3,4,5]. Het grafeen is intensief onderzocht als optische modulator voor gebruik in diverse gepulseerde lasers en er worden uitstekende resultaten verkregen [6, 7]. Onlangs zijn tal van nieuwe 2D-materialen zoals topologische isolatoren [8, 9], overgangsmetaal dichalcogenide (TMD) [10,11,12,13,14], zwarte fosfor [15], MXene [16], bismutheen [17], metaal-organische raamwerken [18] en perovskiet [19] hebben optische niet-lineariteiten van breedband aangetoond. Bovendien worden deze 2D-materialen beschouwd als de volgende generatie veelbelovende optische modulatormaterialen [20, 21]. De MoS₂ is een representatieve TMD-halfgeleider met kristallagen bestaande uit drie afwisselende hexagonale vlakken van Mo en S [22]. Afhankelijk van de coördinatie- en oxidatietoestanden van overgangsmetaalatomen, MoS₂ kan zowel halfgeleidend als metallisch van aard zijn. De breedband verzadigbare absorptie en hoge niet-lineaire gevoeligheid van de derde orde zijn grondig bestudeerd [23,24,25]. Recente werken tonen aan dat de MoS₂ heeft een betere verzadigbare absorptierespons dan grafeen door gebruik te maken van een Z-scantechniek met open diafragma voor ultrasnelle niet-lineaire optische eigenschappen [26, 27]. Gebaseerd op de MoS₂ materialen, zijn de overeenkomstige optische modulatorapparaten met succes gebruikt voor gepulseerde lasers. Tot nu toe gepulseerde fiberlasers met MoS₂ bij verschillende centrale golflengten van 635 nm, 980 nm, 1030 nm, 1560 nm, 1925 nm en 2950 nm zijn bereikt [28,29,30,31,32,33]. Ultrasnelle fiberlasers op basis van MoS₂ het uitzenden van pulsen met een pulsduur van honderden femtoseconden tot enkele picoseconden zijn ook gemeld [34, 35]. Bovendien zijn gepulseerde fiberlasers met hoge herhalingssnelheid met MoS₂ zijn gerealiseerd [36, 37].

Meestal MoS₂ nanomaterialen worden vervaardigd via mechanische exfoliatie (ME) methode [38], vloeibare fase exfoliatie (LPE) methode [39], hydrothermische methode [40, 41], chemische dampafzetting (CVD) methode [42], pulsed laser deposition (PLD) methode [43], en magnetron sputtering deposition (MSD) methode [44]. Elke methode heeft zijn sterke en zwakke punten. De ME-methode is bijvoorbeeld de eerste gerapporteerde techniek voor het verkrijgen van gelaagde structuur MoS₂ . Deze methode heeft echter de nadelen van een slechte schaalbaarheid en lage opbrengst, waardoor grootschalige toepassingen worden belemmerd. Om de gebreken van de ME-methode te verhelpen, biedt CVD een beheersbare benadering voor de productie van enkellaags en enkele laag MoS₂ . Terwijl voor de MoS₂ groei is het vaak nodig om de ondergrond voor te behandelen. PLD en MSD zouden de ideale methoden moeten zijn voor het kweken van hoogwaardige MoS₂ film direct met verschillende maten en gebieden, maar met veel kristaldefecten. De gerapporteerde technologie voor het opnemen van MoS₂ in fiberlasers kunnen hoofdzakelijk worden onderverdeeld in twee methoden:(1) direct sandwichen van de MoS₂ -gebaseerde SA's tussen twee glasvezelconnectoren door de MoS₂ . te mengen nanomaterialen in polymeerfilm en (2) deponeren van de MoS₂ nanomaterialen op taps toelopende vezels of D-vormige vezels door gebruik te maken van de verdwijnende golfinteractie. De sandwich-type MoS₂ optische modulatoren hebben de voordelen van flexibiliteit en gemak. Het heeft ook het zwakke punt van lage thermische schade. De evanescent wave-methode kan de schadedrempel van SA's verhogen, maar heeft de tekortkoming van breekbaarheid. Voor praktische toepassingen moeten taps toelopende vezels of D-vormige optische modulators op basis van vezels worden verpakt, wat de fabricageprocedure erg ingewikkeld maakt. Daarom tot stand brengen van fijngecontroleerde MoS₂ nanomateriaal moet nog dieper worden onderzocht en het verbeteren van de effectieve fabricagemethode is nog steeds een al lang bestaand doel.

In dit artikel demonstreren we een nieuwe methode om de MoS₂ . voor te bereiden /SiO₂ composietmaterialen door de MoS₂ . te doteren nanomaterialen in sol-gel glas. Zoals bekend is de sol-gel-methode een volwassen benadering om het glas bij lage temperatuur te bereiden [45, 46]. Doping van de MoS₂ nanomaterialen in het sol-gelglas hebben niet alleen goede antioxiderende eigenschappen, maar kunnen ook de mechanische stabiliteit effectief verhogen. Bovendien heeft het sol-gel glas een goede brekingsindex die past bij de optische vezel. Daarom vertoont dit type composietmateriaal een hoge milieuschadedrempel. Door de voorgestelde MoS₂ . op te nemen /SiO₂ in de EDF-laserholte bereiken we twee soorten modusvergrendeling. Bij het pompvermogen van 90 mW wordt de conventionele vergrendeling van de solitonmodus verkregen. De pulsduur is 780 fs. In het pompvermogensbereik van 100-600 mW realiseren we ook een andere stabiele modusvergrendeling. De pulsbreedte is 1,21 ps en het maximale uitgangsvermogen is 5,11 mW. De resultaten laten zien dat de MoS₂ /SiO₂ composietmaterialen hebben een groot potentieel voor mode-locked fiberlasertoepassingen.

Methoden

MoS₂ /SiO₂ Procedure voor het voorbereiden van composietmaterialen

De MoS₂ /SiO₂ composietmaterialen worden bereid door de sol-gel-methode. In de eerste stap, de MoS₂ dispersie wordt bereid door middel van exfoliatie in de vloeibare fase. Een milligram MoS₂ nanosheets wordt in het 10  ml gedeïoniseerd water gedaan. Dan, de MoS₂ dispersie is ultrasoon gedurende 6 h en het vermogen van ultrasone reiniger is ingesteld op 90 W. Na het centrifugatieproces verkrijgen we de stabiele MoS₂ oplossing. Aan de andere kant worden het tetraethoxysilaan (TEOS), ethanol en gedeïoniseerd water gemengd voor de sol-gel glasbereiding. In de volgende stap, de MoS₂ oplossing en het TEOS-mengsel worden gemengd. Dan, de MoS₂ en het TEOS-mengsel wordt geroerd om de MoS₂ . te vormen -gedoteerd glas. Op dit moment wordt het zoutzuur toegevoegd aan het verkregen mengsel om de PH op een lage waarde te houden. Via hydrolyse en polycondensatie proces, de MoS₂ -gedoteerde silicasol wordt verkregen. Het hydrolyse- en polycondensatieproces kan worden beschreven als de volgende reacties:

$$ \mathrm{nSi}{\left({\mathrm{OC}}_2{\mathrm{H}}_5\right)}_4+{2\mathrm{nH}}_2\mathrm{O}=\mathrm{ nSi}{\left(\mathrm{OH}\right)}_4+{4\mathrm{nC}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}\ \left(\mathrm{hydrolyse}\ \mathrm {reactie}\right) $$$$ \mathrm{nSi}{\left(\mathrm{OH}\right)}_4={\mathrm{nSiO}}_2+{2\mathrm{nH}}_2\mathrm{ O}\ \left(\mathrm{polycondensation}\ \mathrm{reactie}\right) $$

Tijdens het hydrolyseproces worden de alkoxidegroepen van de TEOS vervangen door de hydroxylgroepen. Bij het polycondensatieproces produceren de Si-OH-groepen de Si-O-Si-netwerken. Om te voorkomen dat het sol-gel glas barst en MoS₂ agglomeratie, de MoS₂ -gedoteerde silicasol wordt 5 uur bij 50°C geroerd. Dan, de MoS₂ -gedoteerde silicasol wordt in de plastic cellen gedaan en 48 uur bij kamertemperatuur gerijpt. Plaats in de laatste stap de silicasol gedurende 1 week in een droge doos bij 60°C om vast MoS₂ te vormen. -gedoteerd glas.

Vezellaserholte

De lay-out van de EDF-laser met MoS₂ /SiO₂ composietmateriaal wordt weergegeven in Fig. 1. De ringlaserholte wordt gebruikt. De pompbron is een vezelgekoppelde laserdiode (LD) met het maximale uitgangsvermogen van 650 mW, die de pomplaser via de golflengteverdelingsmultiplexer (WDM) in de laserholte levert. Als versterkingsmedium wordt een 1,2 m lange EDF gebruikt. Een polarisatie-onafhankelijke isolator (PI-ISO) wordt gebruikt om de unidirectionele werking in de ringlaserholte te verzekeren. Een polarisatiecontroller (PC) wordt ingeschakeld om verschillende polarisatietoestanden te bereiken. Een MoS₂ /SiO₂ composietmateriaal is ingeklemd tussen twee vezelhulzen. De 10/90 optische koppeling wordt gebruikt bij de uitvoerpoort van de laserholte. De totale lengte van de laseroscillatorholte is ongeveer 13,3 m.

Experimentele opstelling van EDF-mode-locked fiberlaser

Resultaten en discussie

Karakterisering van MoS₂ /SiO₂ Composietmaterialen

Zoals wordt getoond in Fig. 2a, is de voorbereide MoS₂ /SiO₂ composietmateriaal is de bruine kleur, wat wijst op de MoS₂ nanosheets zijn verwerkt in het silicaglas. Afbeelding 2b toont de SEM-afbeelding. De MoS₂ /SiO₂ composietmateriaal wordt ook gekenmerkt door energiedispersieve röntgenspectrometer (EDS). Afbeelding 3 toont het EDS-spectrum, wat aangeeft dat de voorbereide MoS₂ /SiO₂ glas bevat drie elementen (Mo, S en Si). De niet-lineaire optische eigenschappen van MoS₂ /SiO₂ glas worden onderzocht door het gebalanceerde meetsysteem met twee detectoren. De pulslaserbron is de zelfgemaakte EDF-vezellaser met een centrale golflengte van 1550 nm, een pulsbreedte van 500 fs en een herhalingssnelheid van 23 MHz. Zoals te zien is in Fig. 4, zijn de modulatiediepte (ΔT) en verzadigbare intensiteit (I_sat ) worden gemeten als 3,5% en 20,15 MW/cm ² , respectievelijk. Een femtoseconde Ti:saffierlaser (centrale golflengte 800 nm, pulsbreedte 250 fs, herhalingssnelheid 100 kHz) wordt gebruikt als bron om de thermische schade van MoS₂ te onderzoeken /SiO₂ samengesteld materiaal. De optische schade van de MoS₂ /SiO₂ verschijnt wanneer het testvermogen is ingesteld op 3,46 J/cm ² , die veel hoger is dan die van halfgeleidersaturable absorber mirror (SESAM) (500 μJ/cm ² ).

een Digitale foto's. b SEM-afbeelding

EDS-spectrum

Niet-lineaire optische eigenschappen van MoS₂ /SiO₂ composietmaterialen

MoS₂ /SiO₂ Mode-Locking Fiber Laser

De conventionele experimentele resultaten van soliton-modusvergrendeling worden getoond in Fig. 5. De modusvergrendeling wordt waargenomen bij het pompvermogen van 90 mW dat gepaard gaat met hysterese-fenomeen [47]. Door het pompvermogen lager in te stellen op 75 mW, blijft de modus-vergrendelende toestand behouden. Het optische spectrum van modusvergrendelende pulsen bij het pompvermogen van 90 mW is weergegeven in figuur 5a. De centrale golflengte bevindt zich op 1557 nm en de spectrale breedte van 3 dB is 6 nm. Het is duidelijk te zien dat de Kelly-zijbanden symmetrisch aan beide zijden van het spectrum verschenen, wat aangeeft dat de fiberlaser werkt in een conventionele soliton-modus-vergrendelende toestand. Figuur 5b toont de prestaties van de pulstrein, die een uniforme intensiteit heeft. Het interval van twee pulsen is 64,2 ns, wat overeenkomt met de rondreistijd van de holte. Om de stabiliteit van solitonpuls verder te bestuderen, wordt het radiofrequentiespectrum gemeten. Figuur 5c laat zien dat de fundamentele herhalingssnelheid 15,76 MHz is en de signaal-ruisverhouding (SNR) 65 dB is. De pulsduur wordt gemeten door een autocorrelator. Afbeelding 5d toont de autocorrelatiecurve. De volledige breedte bij half maximum (FWHM) wordt gemeten als 1,21 ps, wat aangeeft dat de pulsduur 780 fs is als een Sech ² pasvorm wordt gebruikt. We verhogen gewoon het pompvermogen tot 100 mW en houden de pc ongewijzigd, de laser gaat in meerdere pulsen de werkingsmodusvergrendelingsregime in, met instabiliteit en fluctuaties, wat betekent dat de modusvergrendeling in een smal pompbereik werkt.

Conventionele soliton-experimentele resultaten:a optisch spectrum, b pulstrein, c radiofrequentiespectrum, d autocorrelatiespoor

Tijdens de experimenten bereiken we een andere modusvergrendelende staat. Door het pompvermogen in te stellen op 100 mW en de pc-rotatie, verkrijgen we deze modusvergrendelende bedrijfstoestand. Figuur 6a legt het overeenkomstige optische spectrum vast. Het optische spectrum wordt steeds breder en het pompvermogen neemt toe. Door het pompvermogen geleidelijk te verhogen tot 600 mW, kan deze modusvergrendelende werking altijd worden gehandhaafd. Er wordt waargenomen dat de zijkanten met een relatief kleine intensiteit in het optische spectrum verschenen. De centrale golflengte is 1557 nm en de spectrale breedte van 3 dB is 4 nm bij een pompvermogen van 600 mW. Het oscilloscoopspoor voor de modusvergrendelingstoestand wordt weergegeven in figuur 6b; het interval van twee pulsen is 64,2 ns, waarmee wordt gecontroleerd of de fiberlaser werkt in de fundamentele modusvergrendelingsstatus. Het autocorrelatiespoor wordt weergegeven in Fig. 6(c), de volledige breedte bij half maximum (FWHM) is 1,97 ps, wat betekent dat de pulsduur 1,21 ps is als een Sech ² pasvorm wordt gebruikt. De kenmerken van het gemiddelde uitgangsvermogen zijn weergegeven in figuur 6d. Naarmate het pompvermogen toeneemt, neemt het gemiddelde uitgangsvermogen bijna lineair toe. Het maximale uitgangsvermogen wordt gemeten als 5,11 mW bij het pompvermogen van 600 mW.

Experimentele resultaten:a optisch spectrum, b pulstrein, c autocorrelatiespoor, d uitgangsvermogen

Conclusie

Tot slot hebben we de MoS₂ . gerapporteerd /SiO₂ composietmaterialen, die worden bereid door de MoS₂ . op te nemen nanomaterialen in sol-gel glas. EDS-spectrum identificeert het hoofdbestanddeel van voorbereide MoS₂ /SiO₂ glas. De modulatiediepte en verzadigbare intensiteit van MoS₂ /SiO₂ composietmaterialen worden gemeten als 3,5% en 20,15 MW/cm ² , respectievelijk. Mode-locked fiberlaser met MoS₂ /SiO₂ wordt verder aangetoond. De conventionele vergrendelingstoestand van de solitonmodus met een pulsduur van 780 fs wordt gerealiseerd bij een pompvermogen van 90 mW. In het pompvermogensbereik van 100-600 mW wordt een andere stabiele modusvergrendelende toestand gepresenteerd. De pulsbreedte is 1,21 ps en het maximale uitgangsvermogen is 5,11 mW. Onze resultaten laten zien dat de MoS₂ /SiO₂ composietmaterialen hebben goede vooruitzichten in ultrasnelle fotonica en de sol-gel-methode biedt een nieuwe manier voor de fabricage van optische TMD-apparaten.

Afkortingen

2D:

Tweedimensionaal

CVD:

Chemische dampafzetting

EDF:

Er-gedoteerde vezel

EDS:

Energiedispersieve röntgenspectrometer

FWHM:

Volledige breedte op halve maximum

Ik_zat :

Verzadigbare intensiteit

LD:

Laserdiode

LPE:

Vloeibare fase exfoliatie

ME:

Mechanische exfoliatie

MSD:

Magnetron sputterdepositie

PC:

Polarisatieregelaar

PI-ISO:

Polarisatie onafhankelijke isolator

PLD:

Gepulseerde laserdepositie

SA:

Verzadigbare absorber

SESAM:

Halfgeleider verzadigbare absorberende spiegel

SNR:

Signaal-ruisverhouding

TEOS:

Tetraethoxysilaan

TMD:

Overgangsmetaal dichalcogenide

WDM:

Golflengteverdelingsmultiplexer

ΔT:

Modulatie diepte