Laser de fibra dopada com Er-bloqueado em modo usando absorvedor saturável MoS2 / SiO2

Resumo

O material em camadas bidimensional (2D) MoS ₂ atraiu inúmeras atenções para aplicações eletrônicas e optoeletrônicas. Neste trabalho, um novo tipo de MoS ₂ -dopado material composto de vidro sol-gel é preparado. As propriedades ópticas não lineares do MoS preparado ₂ / SiO ₂ o material compósito é medido com profundidade de modulação (ΔT) de 3,5% e intensidade saturável (I _sat ) de 20,15 MW / cm ² . O limite de dano óptico é 3,46 J / cm ² . Usando o MoS ₂ / SiO ₂ material compósito como absorvedor saturável (SA), um laser de fibra dopada com Er-bloqueado de modo passivo (EDF) é realizado. Pulsos de bloqueio de modo soliton convencionais estáveis são gerados com sucesso com uma largura de pulso de 780 fs na potência da bomba de 90 mW. Na faixa de potência da bomba de 100–600 mW, outra operação de bloqueio de modo estável é obtida. A largura de pulso é 1,21 ps e a potência máxima de saída é 5,11 mW. Os resultados indicam que MoS ₂ / SiO ₂ materiais compostos podem oferecer uma nova maneira de aplicações ópticas.

Introdução

Materiais ópticos não lineares, especialmente aqueles com estruturas 2D, estabelecem as bases do desenvolvimento da optoeletrônica [1,2,3,4,5]. O grafeno tem sido intensamente investigado como um modulador óptico para uso em diversos lasers pulsados e excelentes resultados são obtidos [6, 7]. Recentemente, inúmeros novos materiais 2D, como isoladores topológicos [8, 9], dichalcogeneto de metal de transição (TMD) [10,11,12,13,14], fósforo preto [15], MXene [16], bismuteno [17], estruturas metal-orgânicas [18] e perovskita [19] demonstraram não linearidades ópticas de banda larga. Além disso, esses materiais 2D são considerados como os materiais moduladores ópticos promissores da próxima geração [20, 21]. O MoS ₂ é um semicondutor TMD representativo com camadas de cristal consistindo em três planos hexagonais alternados de Mo e S [22]. Dependendo dos estados de coordenação e oxidação dos átomos de metal de transição, MoS ₂ pode ser de natureza semicondutora ou metálica. A absorção saturável de banda larga e a alta suscetibilidade não linear de terceira ordem foram exaustivamente estudadas [23,24,25]. Trabalhos recentes demonstram que o MoS ₂ tem melhor resposta de absorção saturável do que o grafeno, usando uma técnica de varredura Z de abertura aberta para propriedades ópticas não lineares ultrarrápidas [26, 27]. Com base no MoS ₂ materiais, os dispositivos moduladores ópticos correspondentes foram usados para lasers pulsados com sucesso. Até agora, lasers de fibra pulsada com MoS ₂ em diferentes comprimentos de onda centrais de 635 nm, 980 nm, 1030 nm, 1560 nm, 1925 nm e 2950 nm foram alcançados [28,29,30,31,32,33]. Lasers de fibra ultrarrápidos baseados em MoS ₂ a emissão de pulsos com duração de pulso de centenas de femtossegundos a poucos picossegundos também foi relatada [34, 35]. Além disso, lasers de fibra pulsada de alta taxa de repetição com MoS ₂ foram realizados [36, 37].

Normalmente, MoS ₂ nanomateriais são fabricados através do método de esfoliação mecânica (ME) [38], método de esfoliação em fase líquida (LPE) [39], método hidrotérmico [40, 41], método de deposição de vapor químico (CVD) [42], deposição de laser pulsado (PLD) método [43] e método de deposição por pulverização catódica (MSD) [44]. Cada método tem seus pontos fortes e fracos. Por exemplo, o método ME é a primeira técnica relatada para obter a estrutura em camadas MoS ₂ . Porém, este método tem como desvantagens a baixa escalabilidade e baixo rendimento, dificultando as aplicações em larga escala. Para superar os defeitos do método ME, o CVD oferece uma abordagem controlável para a produção de MoS de uma e poucas camadas ₂ . Enquanto para o MoS ₂ crescimento, muitas vezes é necessário pré-tratamento do substrato. PLD e MSD devem ser os métodos ideais para o cultivo de MoS de alta qualidade ₂ filme diretamente com diferentes tamanhos e áreas, mas com muitos defeitos de cristal. A tecnologia relatada para incorporar MoS ₂ em lasers de fibra podem ser divididos principalmente em dois métodos:(1) ensanduichamento direto do MoS ₂ SAs com base entre dois conectores de fibra combinando o MoS ₂ nanomateriais em filme de polímero e (2) depositando o MoS ₂ nanomateriais em fibra cônica ou fibra em forma de D usando a interação de onda evanescente. O MoS tipo sanduíche ₂ moduladores ópticos têm as vantagens de flexibilidade e conveniência. Ele também tem o ponto fraco de baixo dano térmico. O método de onda evanescente pode aumentar o limite de dano de SAs, mas tem a deficiência de frangibilidade. Para aplicações práticas, moduladores óticos baseados em fibra em forma de D ou fibra cônica precisam ser embalados, o que torna o procedimento de fabricação muito complicado. Portanto, estabelecendo MoS com controle fino ₂ o nanomaterial ainda requer uma exploração mais profunda, e melhorar o método de fabricação eficaz ainda é uma meta de longa data.

Neste artigo, demonstramos um novo método para preparar o MoS ₂ / SiO ₂ materiais compósitos dopando o MoS ₂ nanomateriais em vidro sol-gel. Como é bem conhecido, o método sol-gel é uma abordagem madura para preparar o vidro em baixa temperatura [45, 46]. Dopagem do MoS ₂ nanomateriais no vidro sol-gel não só tem virtudes de boa capacidade antioxidante, mas também pode efetivamente aumentar a estabilidade mecânica. Além disso, o vidro sol-gel tem um bom índice de refração compatível com a fibra óptica. Portanto, este tipo de material composto apresenta um alto limite de danos ambientais. Ao incorporar o MoS proposto ₂ / SiO ₂ na cavidade do laser EDF, alcançamos dois tipos de operação de bloqueio de modo. Na potência da bomba de 90 mW, a operação de travamento de modo de soliton convencional é obtida. A duração do pulso é 780 fs. Na faixa de potência da bomba de 100–600 mW, também realizamos outra operação de bloqueio de modo estável. A largura de pulso é 1,21 ps e a potência máxima de saída é 5,11 mW. Os resultados mostram que o MoS ₂ / SiO ₂ materiais compostos possuem grande potencial para aplicações de laser de fibra de modo bloqueado.

Métodos

MoS ₂ / SiO ₂ Procedimento de preparação de materiais compósitos

O MoS ₂ / SiO ₂ os materiais compósitos são preparados pelo método sol-gel. Na primeira etapa, o MoS ₂ a dispersão é preparada pelo método de esfoliação em fase líquida. Um miligrama de MoS ₂ nanofolhas são colocadas em 10 ml de água desionizada. Então, o MoS ₂ a dispersão é ultrassônica por 6 he a potência do limpador ultrassônico é definida como 90 W. Após o processo de centrifugação, obtemos o MoS estável ₂ solução. Por outro lado, o tetraetoxissilano (TEOS), o etanol e a água desionizada são misturados para a preparação do vidro sol-gel. Na próxima etapa, o MoS ₂ solução e a mistura de TEOS são misturados. Então, o MoS ₂ e a mistura de TEOS é agitada para formar o MoS ₂ -vidro dopado. Neste momento, o ácido clorídrico é adicionado à mistura obtida para controlar o pH em baixo valor. Por meio do processo de hidrólise e policondensação, o MoS ₂ é obtido o sol de sílica dopado. O processo de hidrólise e policondensação pode ser descrito como as seguintes reações:
$$ \ mathrm {nSi} {\ left ({\ mathrm {OC}} _ 2 {\ mathrm {H}} _ 5 \ right)} _ 4+ {2 \ mathrm {nH}} _ 2 \ mathrm {O} =\ mathrm { nSi} {\ left (\ mathrm {OH} \ right)} _ 4+ {4 \ mathrm {nC}} _ 2 {\ mathrm {H}} _ 5 \ mathrm {OH} \ \ left (\ mathrm {hidrólise} \ \ mathrm {reação} \ direita) $$$$ \ mathrm {nSi} {\ left (\ mathrm {OH} \ right)} _ 4 ={\ mathrm {nSiO}} _ 2+ {2 \ mathrm {nH}} _ 2 \ mathrm { O} \ \ left (\ mathrm {policondensação} \ \ mathrm {reação} \ right) $$
Durante o processo de hidrólise, os grupos alcóxido dos TEOS são substituídos pelos grupos hidroxila. No processo de policondensação, os grupos Si-OH produzem as redes Si-O-Si. A fim de evitar rachaduras no vidro do sol-gel e MoS ₂ aglomeração, o MoS ₂ sol de sílica dopada são agitados a 50 ° C durante 5 h. Então, o MoS ₂ -sol de sílica dopado são colocados nas células de plástico e envelhecidos em temperatura ambiente por 48 h. Na etapa final, coloque o sol de sílica em uma caixa seca a 60 ° C por 1 semana para formar MoS sólido ₂ -vidro dopado.

Cavidade do laser de fibra

O layout do laser EDF com MoS ₂ / SiO ₂ o material compósito é mostrado na Fig. 1. A cavidade do laser de anel é usada. A fonte da bomba é um diodo de laser acoplado a fibra (LD) com a potência de saída máxima de 650 mW, que fornece o laser da bomba para a cavidade do laser por meio do multiplexador de divisão de comprimento de onda (WDM). Um EDF de 1,2 m de comprimento é empregado como meio de ganho. Um isolador independente de polarização (PI-ISO) é usado para garantir a operação unidirecional na cavidade do laser de anel. Um controlador de polarização (PC) é acionado para atingir diferentes estados de polarização. A MoS ₂ / SiO ₂ o material compósito é ensanduichado entre duas ponteiras de fibra. O acoplador óptico 10/90 é usado na porta de saída da cavidade do laser. O comprimento total da cavidade do oscilador de laser é de cerca de 13,3 m.

Configuração experimental de laser de fibra de modo bloqueado EDF

Resultados e discussão

Caracterização do MoS ₂ / SiO ₂ Materiais Compósitos

Como é mostrado na Fig. 2a, o MoS preparado ₂ / SiO ₂ o material composto é a cor marrom, indicando o MoS ₂ nanofolhas são incorporadas ao vidro de sílica. A Figura 2b mostra a imagem SEM. O MoS ₂ / SiO ₂ o material compósito também é caracterizado por espectrômetro de energia dispersiva de raios-X (EDS). A Figura 3 mostra o espectro EDS, que indica que o MoS preparado ₂ / SiO ₂ o vidro contém três elementos (Mo, S e Si). As propriedades ópticas não lineares do MoS ₂ / SiO ₂ o vidro é investigado pelo sistema de medição de detector duplo balanceado. A fonte de laser de pulso é o laser de fibra EDF caseiro com comprimento de onda central de 1550 nm, largura de pulso de 500 fs e taxa de repetição de 23 MHz. Como pode ser visto na Fig. 4, a profundidade de modulação (ΔT) e a intensidade saturável (I _sat ) são medidos como 3,5% e 20,15 MW / cm ² , respectivamente. Um femtossegundo Ti:laser safira (comprimento de onda central 800 nm, largura de pulso 250 fs, taxa de repetição 100 kHz) é usado como fonte para investigar o dano térmico do MoS ₂ / SiO ₂ material compósito. O dano óptico do MoS ₂ / SiO ₂ aparece quando a potência de teste é ajustada para 3,46 J / cm ² , que é muito maior do que o espelho absorvedor saturável de semicondutor (SESAM) (500 μJ / cm ² )

a Fotos digitais. b Imagem SEM

Espectro EDS

Propriedades ópticas não lineares de MoS ₂ / SiO ₂ materiais compósitos

MoS ₂ / SiO ₂ Laser de fibra com bloqueio de modo

Os resultados experimentais convencionais de modo de bloqueio são mostrados na Fig. 5. A operação de modo de bloqueio é observada na potência da bomba de 90 mW acompanhando o fenômeno de histerese [47]. Ajustando a potência da bomba para menos de 75 mW, o estado de bloqueio de modo ainda é mantido. O espectro óptico de pulsos de bloqueio de modo na potência da bomba de 90 mW é representado na Fig. 5a. O comprimento de onda central está localizado em 1557 nm e a largura espectral de 3 dB é de 6 nm. Pode ser visto claramente que as bandas laterais Kelly apareceram em ambos os lados do espectro simetricamente, indicando que o laser de fibra funciona no estado de bloqueio de modo soliton convencional. A Figura 5b mostra o desempenho do trem de pulso, que possui intensidade uniforme. O intervalo de dois pulsos é de 64,2 ns, correspondendo ao tempo de ida e volta da cavidade. Para estudar mais a estabilidade do pulso de soliton, o espectro de radiofrequência é medido. A Figura 5c mostra que a taxa de repetição fundamental é de 15,76 MHz e a relação sinal-ruído (SNR) é de 65 dB. A duração do pulso é medida por um autocorrelador. A Figura 5d mostra a curva de autocorrelação. A largura total na metade do máximo (FWHM) é medida como 1,21 ps, indicando que a duração do pulso é 780 fs se um Sech ² o ajuste é usado. Apenas aumentamos a potência da bomba para 100 mW e mantemos o PC inalterado, o laser entra em regime de bloqueio de modo de operação de múltiplos pulsos, apresentando instabilidade e flutuações, o que significa que o bloqueio de modo opera em uma faixa estreita da bomba.

Resultados experimentais da solução convencional: a espectro óptico, b trem de pulso, c espectro de radiofrequência, d traço de autocorrelação

Durante os experimentos, alcançamos outro estado de bloqueio de modo. Ajustando a potência da bomba para 100 mW e a rotação do PC, obtemos este estado de operação de bloqueio de modo. A Figura 6a registra o espectro óptico correspondente. O espectro óptico está ficando cada vez mais amplo com o aumento da potência da bomba. Aumentando gradualmente a potência da bomba para 600 mW, esta operação de bloqueio de modo pode sempre ser mantida. Observa-se que os lados apareceram no espectro óptico com relativa pequena intensidade. O comprimento de onda central é de 1557 nm e a largura espectral de 3 dB é de 4 nm na potência da bomba de 600 mW. O traçado do osciloscópio para o estado de bloqueio de modo é representado na Fig. 6b; o intervalo de dois pulsos é de 64,2 ns, verificando se o laser de fibra está funcionando no estado de bloqueio de modo fundamental. O traço de autocorrelação é exibido na Fig. 6 (c), a largura total na metade do máximo (FWHM) é 1,97 ps, o que significa que a duração do pulso é 1,21 ps se um Sech ² o ajuste é usado. As características de potência de saída média são mostradas na Fig. 6d. À medida que a potência da bomba aumenta, a potência média de saída aumenta quase linearmente. A potência máxima de saída é medida como 5,11 mW na potência da bomba de 600 mW.

Resultados experimentais: a espectro óptico, b trem de pulso, c rastreamento de autocorrelação, d potência de saída

Conclusão

Em conclusão, relatamos o MoS ₂ / SiO ₂ materiais compósitos, que são preparados incorporando o MoS ₂ nanomateriais em vidro sol-gel. O espectro EDS identifica o componente principal do MoS preparado ₂ / SiO ₂ vidro. A profundidade de modulação e intensidade saturável de MoS ₂ / SiO ₂ materiais compostos são medidos em 3,5% e 20,15 MW / cm ² , respectivamente. Laser de fibra de modo bloqueado com MoS ₂ / SiO ₂ é demonstrado posteriormente. O estado de bloqueio de modo soliton convencional com uma duração de pulso de 780 fs é realizado na potência da bomba de 90 mW. Na faixa de potência da bomba de 100–600 mW, outro estado de bloqueio de modo estável é apresentado. A largura de pulso é 1,21 ps e a potência máxima de saída é 5,11 mW. Nossos resultados mostram que o MoS ₂ / SiO ₂ os materiais compósitos possuem uma boa perspectiva em fotônica ultrarrápida e o método sol-gel fornece uma nova maneira para a fabricação de dispositivos ópticos TMD.