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北航付博、鄭大劉憲虎、深大張晗 ACS Photonics：柔性Ag/MXene寬帶非線性調(diào)制器在超快光子學(xué)中的應(yīng)用
2023-08-25  來(lái)源：高分子科技

  MXenes因其導(dǎo)電性高、光學(xué)透明度高和帶隙可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)在超快光子學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的關(guān)注。Ag作為最具吸引力的金屬材料之一，具有較大的三階非線性、高導(dǎo)電性和優(yōu)異的等離子體共振特性等，也適合作為可飽和吸收體用于超快脈沖產(chǎn)生。Ag與MXene材料的結(jié)合能夠優(yōu)化復(fù)合材料的非線性吸收特性，從而增強(qiáng)對(duì)光脈沖的調(diào)制能力，因此有望成為超快激光器中可靠的非線性調(diào)制器件。


  北京航空航天大學(xué)付博、鄭州大學(xué)劉憲虎及深圳大學(xué)張晗教授團(tuán)隊(duì)近期利用柔性多層Ag/MXene復(fù)合薄膜作為非線性調(diào)制器在不同波段激光器中實(shí)現(xiàn)了超快脈沖輸出。相關(guān)研究成果以“Ag/MXene Composite as a Broadband Nonlinear Modulator for Ultrafast Photonics”為題發(fā)表在期刊ACS Photonics上。論文第一作者為北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院博士生孫婧軒，通訊作者為付博、劉憲虎和張晗教授。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市教育委員會(huì)科技創(chuàng)新服務(wù)能力建設(shè)項(xiàng)目和北京航空航天大學(xué)博士生卓越學(xué)術(shù)基金的資助。


  柔性多層Ag/MXene復(fù)合薄膜以水性聚氨酯/Ag/MXene/水性聚氨酯逐層噴涂輔以熱壓法制備，并通過(guò)夾合式結(jié)構(gòu)將其集成在激光腔中。原始Ag、MXene及Ag/MXene復(fù)合薄膜的形貌結(jié)構(gòu)如圖1所示。 


圖1. 材料形貌圖：(a) Ag和(b) MXene的SEM圖，(c) Ag和(d) MXene的TEM圖，(e) Ag/MXene復(fù)合材料的截面SEM圖

  通過(guò)雙臂平衡探測(cè)法測(cè)量了Ag/MXene薄膜的非線性吸收特性，測(cè)量裝置及不同波段結(jié)果如圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，Ag/MXene薄膜在1, 1.5, 2 μm波段均具有優(yōu)異的可飽和吸收特性，保證其可以作為超快脈沖光纖激光器中的寬波段非線性光子器件。 


圖2. 非線性吸收特性測(cè)量裝置及結(jié)果圖：(a) 雙臂平衡探測(cè)裝置圖，Ag/MXene在(b) 1 μm，(c) 1.5 μm，(d) 2 μm波段的非線性透過(guò)率曲線


  當(dāng)Ag/MXene可飽和吸收器件應(yīng)用于摻鐿、摻鉺及銩鈥共摻光纖激光器中時(shí)，分別在1, 1.5, 2 μm波段得到了高能量穩(wěn)定的調(diào)Q脈沖輸出，結(jié)果如圖3-5所示。文中對(duì)輸出脈沖的波長(zhǎng)、脈沖寬度和重復(fù)頻率等特性進(jìn)行了討論。同時(shí)，對(duì)脈沖在2小時(shí)內(nèi)的輸出功率和光譜變化特性進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與分析，相對(duì)穩(wěn)定的輸出功率和光譜表明了基于Ag/MXene的調(diào)Q激光器在不同波段的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性。此外，通過(guò)與其他典型材料的非線性吸收及產(chǎn)生脈沖的特性進(jìn)行比較，可以看出Ag/MXene作為可飽和吸收體產(chǎn)生脈沖時(shí)的優(yōu)勢(shì)，脈沖能量較高時(shí)仍能保持高穩(wěn)定性，進(jìn)一步表明了Ag/MXene在寬帶和高能激光器中的應(yīng)用潛力。 


圖3. 基于Ag/MXene可飽和吸收體的1 μm波段典型調(diào)Q結(jié)果：(a) 光譜，(b) 脈沖序列，(c) 脈沖輪廓，(d) 頻譜，(e) 輸出功率隨時(shí)間變化圖，(f) 2h內(nèi)光譜演化圖 


圖4. 基于Ag/MXene可飽和吸收體的1.5 μm波段典型調(diào)Q結(jié)果：(a) 光譜，(b) 脈沖序列，(c) 脈沖輪廓，(d) 頻譜，(e) 輸出功率隨時(shí)間變化圖，(f) 2h內(nèi)光譜演化圖
 

圖5. 基于Ag/MXene可飽和吸收體的2 μm波段典型調(diào)Q結(jié)果：(a) 光譜，(b) 脈沖序列，(c) 脈沖輪廓，(d) 頻譜，(e) 輸出功率隨時(shí)間變化圖，(f) 2h內(nèi)光譜演化圖


  原文鏈接：

  J. Sun, H. Cheng, L. Xu, B. Fu*, X. Liu*, and H. Zhang*, “Ag/MXene composite as broadband nonlinear modulator for ultrafast photonics,” ACS Photonics, DOI: 10.1021/acsphotonics.3c00495

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.3c00495

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