材料类可饱和吸收体在线视频

现在我们看一下

材料类可饱和吸收体

学习一下这一章

材料类可饱和吸收体

主要有几个内容

一个是它本身的光学特性

一个是参数测量

还有一些典型的

可饱和吸收体的举例

这个为什么叫材料类可饱和吸收体

主要是区别于刚才讲的

半导体可饱和吸收镜

就是他们都是可饱和吸收元件

其实半导体可饱和吸收体也是材料

也可以叫材料类

但是为了区分这两大类

因为它们的结构不太一样

生长方式也不一样

因此为了区别这两大类

前面那个

叫半导体可饱和吸收镜

因为它是一个反射镜

然后这一部分

叫材料类可饱和吸收体

这是它的区别

材料类可饱和吸收体

主要是看一下它的可饱和吸收特性

以及参数测量

可饱和吸收体其实跟刚才的那个概念

是一样的

也是说有一束光过来经过介质

那么低功率的部分就是损耗比较大

高功率的部分就因为光饱和了

所以高功率的光就过去了

所以这个图也是有导带有价带

低功率的部分过不去

然后高功率的部分透明

因此它的特性曲线就是右边的

横轴对应的是光强

纵轴对应的是透过率

它有一个吸收透过率曲线

因为材料它可以做透过率

跟刚才的那个

半导体可饱和吸收镜一样

半导体可饱和吸收镜

因为它后面有个DBR层

所以它是做反射镜来用的

所以纵轴用的是反射率

现在可饱和吸收体后面

没有DBR层了

直接就是一个吸收层

因此它的纵轴用的是透过率

但是它的透过率曲线是一样的

也是低功率部分它的透过率低

高功率部分透过率高

就是当光强入射到一定程度的时候

就不吸收了

透过率就达到了一个稳定值

因此高透过率和低透过率之间那个差值

就叫做调制深度

那上面的高透过率和一之间的差距

叫非饱和损耗

那么还有一个就是饱和光强

或者叫饱和通量

这是它的这几个特征参量

这个半导体可饱和吸收体

它的吸收过程也是分为两部分

就是一个叫线性吸收过程

一个叫可饱和吸收过程

可饱和吸收过程也叫漂白过程

这个就不再详细的讲它了

那可饱和吸收体的参数

也跟前面一样

有这几个就是调制深度

非饱和损耗 饱和通量

饱和光强 损伤阈值

还有恢复时间 响应恢复时间

为什么

把损伤阈值放进来

前面讲半导体可饱和吸收镜

它的损伤阈值其实就比较低

但是材料类可饱和好吸收体

它的损伤阈值相对来说更低一些

因此有一个研究的目标

是要找到高损伤阈值的可饱和材料

材料类可饱和吸收体的参数测量

一般的来说有两种方式

装置都差不多

一个叫闭环的Z-scan测量系统

一个叫开环的Z-scan

什么叫Z-scan就是把这个样品

看上面那个装置

左边这边有一个透镜入射光进来

经过这个透镜透镜

被聚焦就会有一个焦点

那把这个样品放在这个焦点附近

它的光强就会发生变化对吧

所以Z在挪动的过程中

就会测量出它的非线性特性了

因此叫Z扫描也叫Z-scan

那不同点在哪儿

上面这个图是后面出来的光

再接着加一个透镜

然后让透镜让入射的光

经过了这个样品之后

所有的光都收集到

这个探测器Detector中

这个就叫做闭环系统

下面前半部分是一样的

只是后半部分就是

入射光经过可饱和吸收体以后

这个光它其实是有一个发散的

发散的后面不聚焦了

加一个光阑就加一个小孔

让透过的光

只有这一部分能进入到探测器中

这个叫它开环闭环不一样

这两个系统的测试的信息也不一样

这个上面的闭环系统

是可以测量非线性折射率

而开环的Z-scan

是可以测量非线性吸收系数

调制深度以及一些其他的参数信息

就是根据需要

可以设计不同的这个系统

还有一个响应时间的测量

响应时间的测量用的是这个装置

就是进来的是一束光

这是一个连续光进来

然后经过一个分束片儿分出两路来

上面这一路加一个斩波器Chopper

把连续的光

斩成一段一段的脉冲光

让他经过这个样品Sample

下面的这段儿经过一个延迟线

就使得入射的脉冲

它有一个有一个延迟的过程

然后这束光再经过一个棱镜聚焦

聚焦到这个样品上

这个时候一部分作为探测光

另一路作为信号光

就可以测出它的响应时间来了

那么响应时间测出来

就是右边的这个图

可以看到这个曲线就是有两部分

一部分是上去以后很快的就降下来

有一个尖峰

这个尖峰对应的就是那个

快持续时间

那么后面比较长的这部分

这个对应的就是慢饱和恢复时间

因此这个图就可以得到

它的可饱和吸收体的那两个双时间特性

下面这个图是给了目前的二维材料

它的带内和带间的

弛豫时间的一个特征值

大家可以看到

目前常用的二维材料

有石墨烯 二硫化钼

以及黑磷和硒化铋等这些材料

那么它对应的快时间基本上是

用飞秒量级来描述的

而它的慢响应时间

用的是皮秒量级来描述的

不同材料它的特性是不一样的

调制深度对于脉冲的特性有什么影响

调制深度主要影响脉冲的宽度

这大家可以看一下

左边儿测出来的是不同的调制深度

调制深度从小变到大

那么右边的

就是获得的脉冲宽度

就发现它的脉冲是越来越窄的

也就是说调制深度越高

获得的脉冲宽度是越窄的

这是它的一个主要特性

那材料类的可饱和吸收体

举一些例子

有哪些材料类的可饱和吸收体

基本上来说

典型的材料可饱和吸收体

就刚才提到的有碳纳米管儿

左下角这个就是碳纳米管

它是一个碳材料

但是它这个给它长成了一个管状的形状

那么还有石墨烯

中间这个图是石墨烯

就是碳的结构

它变成了一个很薄的一层

这个是一个二维材料很平的一层

然后把这个平层卷起来就是碳纳米管

张开就是石墨烯都是碳材料

还有一部分材料叫拓扑绝缘体

这个其中有一个典型的代表叫硒化铋

这个是测出来的一个硒化铋

的一个形状是一个六面体

目前还有的一些其他的典型材料

有二硫化钨还有黑磷

还有一些什么碳化硼

就是只要有可饱和吸收特性的材料

都可以拿来做可饱和吸收体

但是要注意这个不同的可饱和吸收体

因为它的波长对应的波长不一样

因此选不同的材料

这一类材料类的可饱和吸收体

跟前面讲的半导体可饱和吸收镜

SESAM有什么相同点和不同点

就是它的像这个相同点是都可以做

可饱和吸收体

不同点就是这个材料类可饱和吸收体

它有它的优点

设备比较简单自己实验室就可以

做出这个可饱和吸收体来

但是如果要想长那个SESAM的话

就得有一个MBE或者是MOCVD

那一套系统没有一千万是下不来的

所以第一它的设备简单

制作方便

另外它响应光谱的宽度也是比较宽的

而且容易集成

但它的缺点就是它的损伤阈值是比较低的

并且材料在长的过程中不太容易

长的非常好

因此它这个长的质量还需要提高

这是他的优缺点

那刚才说它易于集成

就是纳米材料很小

可以把它做成一个薄膜状

或者是本身就可以作为一个小的一个器件

因此它可以跟光纤来集成

所以这一类材料在

光纤激光器中用的是比较多的

看一下这个A图

就是把半导体材料

做成放到跟PVA薄膜混合起来

做成一个薄膜状的材料

然后把这个薄膜搅出一小块儿来

对到这两个光纤的接头上

就可以做成一个光纤式的可饱和吸收体

还可以做成什么样子的

还可以做成把光纤

第一个图是把可饱和吸收体

放到两个光纤的芯之间

还有一种办法就是可以把材料

放到光纤的侧边去

为什么放到侧边就是

增大它与这个物质的相互作用的面积

这样就可以得到一个较大的调制深度

并且效应也比较强

所以下面的这个d图

把光纤给它磨掉一边儿

然后把可饱和吸收体贴到边儿上来

或者是把这个光纤给它拉锥

拉完了之后把可饱和吸收体

放到拉锥的边儿上来

这样就可以做成

倏逝波型的可饱和吸收体

还有一些其他类型的

这个就是与光纤集成以后

得到的光纤器件

这个先介绍一下碳纳米管

碳纳米管有多壁碳纳米管

有单壁碳纳米管

就是刚才说的

把石墨烯

给它卷起来就变成了碳纳米管

如果卷一层就叫单壁碳纳米管

如果卷了好几层就叫多壁碳纳米管

那多壁碳纳米管和单壁碳栏杆长成什么样

看一下右边这个图

这个是一个透射电镜图

那就可以看到它是一个管状的结构

这个图中的这个标尺是十个纳米

因此这个碳纳米管的就是直径

大概就是在几纳米数量级上

一到三个纳米或者是几个纳米

那么拿这个就可以作为可饱和吸收体

测一下它的这个喇曼光谱

就是知道怎么知道它是碳纳米管

测一下它的特征谱

用拉曼光谱仪测一下特征谱

就会发现它有这几个特征峰

这里头标出来的

是有一个两个三个有三个特征峰

一对比好就是碳纳米管

这个用的碳纳米管的直径

是在1.3个纳米

那么主要的这个吸收峰

它大概是在1.5个纳米附近

是我们自己组测出来的一个数据

然后把它做成一个刚才说的薄膜

就是可饱和吸收器

刚才是碳纳米管儿

然后把碳纳米管做成一个可饱和吸收体

怎么做

把碳纳米管先配好溶液

配好溶液以后

因为买来的这个碳纳米管

它是团聚状的

要想把它分成一层一层的

一个一个的就需要做超声把它超散了

超声完了之后

就是有的部分超的好的就是比较均匀

超的不好的就是还有一些杂质

那这些杂质怎么

用离心的方式

把它离心一下

那么不好的那部分就不要了

好的这部分留着

就当它做溶液

这个就是碳纳米管的溶液

然后把它怎么成膜

把它再跟PVA

就那一类的材料给它混合起来

就可以做成一个薄膜状的一个材料

就有点像那个塑料塑料薄膜一样

就变成这个模样的

然后把这个塑料薄膜的这个模样

就可以要么把它贴到光纤的侧面

要么把它放到两个光纤之间去

就做成了可饱和吸收体

然后把这个可饱和吸收体

放到光纤激光器中去

就可以获得锁模脉冲

这个是我们的一个实验

就是光纤激光器的一个

实验有泵浦源过来

经过WDM把泵浦光耦合到系统中去

用的增益光纤是掺饵光纤

在经过一个刚才说SA

就是做成的那个可饱和吸收体

做成的可饱和吸收体

作为锁模启动元件来用的

然后这个系统中还有光隔离器

就是让它单向运转

再加一个偏振控制器

因为在这个系统中

光纤它的偏振特性

也会影响这个系统的特性的

最后这个器件

是一个输出耦合器

输出的光就从这儿出来了

那在这个系统中在

我们实验室可以获得的一个比较好的结果

就是这个光谱的宽度就可以获得

一个五十四个纳米的光谱宽度

右边的这个右上角就是锁模脉冲序列

下面的这个图

是一个RF频谱图

就是可以看一下这个脉冲

它到底信噪比好不好

换句话说就是获得的锁模脉冲

它稳不稳

信噪比越高锁模脉冲越稳

信噪比越低就说明里头的噪声比较多

这个系统最后获得的脉冲宽度是多少

用这个自相关仪

可以测一下

这个自相关仪测出来的这个曲线

它的谱宽是102飞秒

知道它是有一个卷积造成的

那么去卷积以后获得的脉冲的宽度

是在66飞秒的

并且它峰值功率

是大概在2.7千瓦

在这个实验的过程中

其实还想提一下

就是刚才说的这个系统中

因为它有两个响应时间

所以这个系统中

有的时候就会获得调Q脉冲

有的时候就会获得所磨脉冲

而有的时候这个系统出来的是连续脉冲

这个连续脉冲什么时候出来的

看右边这个图就是当泵浦功率增加的时候

发现这个系统

一开始出来的是一个连续光

这个时候如果继续增加泵浦功率

这时候出来这个系统

就出来的是一个调Q脉冲

然后接着再增加泵浦功率的时候

这个系统就进入了锁模状态

就出来的是一个锁模脉冲

所以这个是我们实验中获得的一个曲线

这个工作

在一七年的时候就被

nature photnics的意思引用了一下

说对于碳纳米管系统来说是获得的

目前来说保持的是最短的脉冲的宽度

第二个锁模元件

可以用石墨烯或者是氧化石墨烯

来做锁模元件

这个有什么不一样

左边是石墨烯的结构

刚才说过了它是一个二维材料

是一个平层石墨烯为什么这么热

看一下它的能带结构

看中间这个图

它的刚才画半导体的时候

知道它有一个导带有一个价带

导带和价带之间有一个禁带

这个禁带宽度决定了hυ

决定了吸收的光子的频率

或者叫吸收光子的波长

石墨烯它的能带结构是比较特殊的

看一下这个图

上面是导带下面是价带

发现导带和价带之间的宽度

叫禁带宽度几乎没有

就是说它的禁带宽度为零

因此石墨烯这个材料适合于任何波长

所以石墨烯为什么说

这个研究非常火的其中一个原因

但是石墨烯有一个缺点

石墨烯不溶于水

但是氧化石墨烯是溶于水的

因此右边的这个结构是氧化石墨烯

就是它它在它这个边儿上连了很多

氢氧根和这个材料

因此它是可以在水中可以溶于水的

所以做可饱和吸收体的时候比较容易做

他们作为可饱和吸收体来说

这个变化不是太大

所以有时候做石墨烯可饱和吸收体

有时候做氧化石墨烯可饱和吸收体也一样

也测一下石墨烯的拉曼光谱

它也是有它的特征谱的

它有一个G模

有一个D模

还有一个2D模

那么那个是它的对应的波数

如果刚好对应了

说明这个是一个单层石墨烯

从这个图中也可以看得到

因为它这个峰值是比较尖的

所以说明它的结晶度还是挺好的

做好了石墨烯

就可以拿它做可饱和吸收材料

同样的其他的材料

比方说拓扑绝缘体

也是一类可饱和吸收体

拓扑绝缘体和石墨烯

有类似的相似之处

它的但是它的响应速度更快

这个是我们实验室做出来的

一个硒化铋的拓扑绝缘体它的一个结构

左边这个图是一个AFM图

就是原子显微镜原子力显微镜图

发现长出来的材料还是挺规整的

右边是它的一个高度图

发现高度大概是在七个纳米左右

然后把它做成一个薄膜就可以

刚才说的薄膜

剪下一小块儿来贴到光纤跳线头上

然后把两个跳线头对起来

就可以做成一个光纤的可饱和吸收体

然后就可以拿它做吸收器去用了

这个是它的TM图

这个是测出来的非线性吸收曲线

用这个把它放到光纤激光器中去

装置也是跟刚才那个长得差不多

只不过这个时候的材料

用的是BiSe的PVA薄膜

就可以获得在1600纳米波段的

孤子脉冲输出

这个脉冲大概获得的脉宽是在360个飞秒

这个是由自相关曲线拟合以后

获得的这个结果

还有一些其他的材料

比方说现在做的比较多的

二硫化钼

二硫化钨

这是他们的一些结构

还有就是比方说黑磷

什么碳化硼这一类的这一类

都可以作为二维材料来用

但是它们的结构是略微不一样的

这个是给了几种不同材料的

它的分子结构

以及它的能带谱

这个是从文章

中摘出来的结果

这个就是二维材料

在光纤激光器中的锁模

激光器中的应用

后面列了一个

这个就是目前来说

这个二维材料锁模的一个研究现状

有拓扑绝缘体过渡二维金属硫化物

他在掺镱光纤激光器的应用

还有在掺饵光纤激光器中的应用

这是给出来的一些列表

这个就不详细的讲了

大家可以有兴趣自己去看一下

其中有一部分工作是我们自己实验室做的

这个是二硫化钨的材料的可饱和吸收体

可饱和吸收体的光纤激光器特性

就给大家闪一下就好了

自己去做一下

那么这一章的内容

主要是讲了一下材料类的可饱和吸收体

它的特性它的元器件

以及在光纤激光器中的

就锁模光纤激光器中的应用

本章内容就讲到这儿

谢谢大家