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刘忠范院士团队最新Nature Nanotechnology!

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背景介绍

非线性光纤在光学变频、超快激光和光通信等领域有着广泛的应用。二维材料用于非线性光纤的优势在于:(1)原子薄层不会破坏光纤中的高质量波导模式;(2)光纤内增强的光-二维材料相互作用可以引起超高的非线性光学响应。在现有的制造技术中,非线性是通过将非线性材料注入光纤或制造微结构光纤来实现的,前者因为非线性二维材料主要通过直接转移技术附着在光纤上,存在传播失真,光-材料相互作用长度较短,难以批量生产的缺点,后者则存在设计灵活性差的问题。


本文亮点

1. 在这篇文章中,作者制备了一种二维材料嵌入式光纤——高度非线性材料MoS2直接生长在SiO2光纤的内壁上。生长通过简单的两步实现,在沿整个光纤壁生长二维材料之前,预先沉积固体前驱体以保证原料均匀,克服固体前体难以有效和均匀地转移到光纤孔中的问题。

2. 用制备的25厘米长的光纤,与单层MoS2的平面氧化硅器件相比,二次谐波(SHG)和三次谐波(THG)的产生能提高约300倍,传播损失保持在~0.1 dBcm-1在一个较宽的频率范围内。


3. 初步测试表明,这种两步生长法也适用于其他二维材料和光纤结构,并在文章展示了一种全光纤锁模激光器(约6 MW输出,约500 fs脉冲宽度和约41 MHz重复率)通过把嵌入二维材料的光纤作为饱和吸收器,证明了这些嵌入式光纤可用于多种全光纤非线性光学和光电应用。


4. 通过色散管理建立了一个脉冲展宽被动锁模光纤激光器, 实现超连续谱的产生。如果激发光和非线性信号之间的相位匹配得到满足,非线性转换效率甚至可以提高到~10%,这可以与传统的块体光学晶体相媲美。这将为非线性光学材料的设计开辟一个新的领域,从而激发光纤中多种多样的非线性应用。


 图文解析

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图1:两步生长的高质量,均匀,单层MoS2嵌入式光纤


生长原理:首先将Na2MoO4水溶液通过毛细作用填充到光纤中作为Mo的来源(图1a 前)。再将光纤放置在化学气相沉淀炉中,110℃烘干30分钟,这时Na2MoO4前驱体发生簇集并且随机分布在光纤内壁上(图1a 中)。随后,在820℃的生长温度下,簇集的Na2MoO4前驱体发生液化并且在硫蒸汽下不断释放Mo的前驱体,硫蒸气由氩气通过低压泵入,与Na2MoO4蒸气均匀混合,最终实现MoS2的均匀生长(图1a 后)。


要点:1.通过调控Na2MoO4溶液浓度可以控制MoS2的覆盖率和覆盖厚度(图1 b,c,d)2.STEM图中的没有任何缺陷点位,拉曼光谱也证明了单层膜在整根光纤上的均匀性,显示了这种生长方式可以提供高质量的MoS2膜。(图1 e,f,g) 

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图2:具有多种光纤结构和材料种类的二维材料嵌入光纤


要点:1. 对于不同结构的光纤(不同孔径,不同孔数),这种两步生长法体现出了普适性,都生长出高质量的均匀的单层MoS2膜。(图 2 a,b,c,d)2.通过调整过渡金属(例如Na2MoO4和Na2WO4),硫族元素(例如S和Se)和生长温度,即可实现多种过渡金属二硫属化物(TMD)嵌入。(图 2 e,f) 


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图3:MoS2嵌入光纤中非线性光学谐波生成得到了巨大增强


要点:1. 与传统光纤相比,TMD嵌入光纤的非线性光学谐波生成得到了大大增强,在长度达到25厘米的TMD嵌入式光纤中获得的谐波,比在单层MoS2的平面氧化硅器件的高300倍以上。(图3 a,b,c)2.TMD嵌入式光纤在800-nm激发的激光下的损伤阈值功率比单层MoS2的平面氧化硅器件高约三倍。(图3 e)3.当光纤超过5厘米后,SHG或THG信号不再与长度呈二次相关,单层MoS2的吸收尾引起的损耗效应以及激发光和SHG / THG光之间的相位失配会导致偏离二次方相关。


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  图4:基于MoS2嵌入的PCF的超快激光器


要点: 1.用嵌入MoS2的光纤代替了传统的自由空间SA(saturableabsorber)膜,实现了全光纤锁模激光器,并且性能数值已经可以与传统SA半导体相媲美。(图4 a,b)2. 通过色散管理建立了一个脉冲展宽被动锁模光纤激光器,实现超连续谱的产生。(图4 c,e,d)

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41565-020-0770-x


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