MoS2/SiO2 가포화 흡수제를 사용한 모드 잠금 Er-Doped Fiber Laser

소개

비선형 광학 재료, 특히 2D 구조를 갖는 재료는 광전자공학 개발의 기초가 됩니다[1,2,3,4,5]. 그래핀은 다양한 펄스 레이저에 사용되는 광 변조기로 집중적으로 연구되어 왔으며 우수한 결과를 얻고 있다[6, 7]. 최근 토폴로지 절연체[8, 9], 전이금속 디칼코게나이드(TMD)[10,11,12,13,14], 흑인[15], MXene[16], 비스무텐[17], 금속-유기 프레임워크[18] 및 페로브스카이트[19]는 광대역 광학 비선형성을 입증했습니다. 또한, 이러한 2D 재료는 차세대 유망 광 변조 재료로 간주됩니다[20, 21]. MoS₂ TMD 반도체는 Mo와 S의 교번하는 3개의 육각형 평면으로 구성된 결정층을 가진 대표적인 TMD 반도체입니다[22]. 전이 금속 원자의 배위와 산화 상태에 따라 MoS₂ 본질적으로 반도체 또는 금속일 수 있습니다. 광대역 포화 흡수 및 높은 3차 비선형 감수성이 철저하게 연구되었습니다[23,24,25]. 최근 작업은 MoS₂ 초고속 비선형 광학 특성을 위해 개방 조리개 Z-스캔 기술을 사용하여 그래핀보다 더 나은 포화 흡수 응답을 갖는다[26, 27]. MoS₂ 기반 재료, 해당 광 변조기 장치는 펄스 레이저에 성공적으로 사용되었습니다. 지금까지 MoS₂를 사용한 펄스 파이버 레이저 635 nm, 980 nm, 1030 nm, 1560 nm, 1925 nm 및 2950 nm의 서로 다른 중심 파장에서 결과가 달성되었습니다[28,29,30,31,32,33]. MoS₂ 기반 초고속 파이버 레이저 수백 펨토초에서 수 피코초에 이르는 펄스 지속 시간을 갖는 펄스 방출도 보고되었습니다[34, 35]. 또한 MoS₂를 사용하는 고반복율 펄스 파이버 레이저 실현되었습니다[36, 37].

일반적으로 MoS₂ 나노 물질은 기계적 박리(ME) 방법[38], 액상 박리(LPE) 방법[39], 열수 방법[40, 41], 화학 기상 증착(CVD) 방법[42], 펄스 레이저 증착(PLD)을 통해 제조됩니다. 방법[43], 마그네트론 스퍼터링 증착(MSD) 방법[44]. 모든 방법에는 장단점이 있습니다. 예를 들어 ME 방법은 계층 구조 MoS₂를 얻기 위한 첫 번째 보고된 기술입니다. . 그러나 이 방법은 확장성이 낮고 수율이 낮아 대규모 응용에 어려움이 있는 단점이 있습니다. ME 방법의 결함을 극복하기 위해 CVD는 단일 및 소수층 MoS₂ 생산을 위한 제어 가능한 접근 방식을 제공합니다. . MoS₂ 동안 성장, 기질의 전처리가 종종 필요합니다. PLD와 MSD는 고품질 MoS를 성장시키는 이상적인 방법이어야 합니다₂ 크기와 면적은 다르지만 결정 결함이 많은 필름. MoS₂ 통합에 대해 보고된 기술 파이버 레이저로 변환하는 방법은 주로 두 가지 방법으로 나눌 수 있습니다. (1) MoS₂ MoS₂를 혼합하여 두 광섬유 커넥터 간의 기반 SA 나노 물질을 고분자 필름으로 만들고 (2) MoS₂ 증착 소멸파 상호작용을 이용하여 테이퍼진 섬유 또는 D자형 섬유에 나노물질을 샌드위치형 MoS₂ 광 변조기는 유연성과 편의성의 장점이 있습니다. 또한 열 손상이 적다는 약점도 있습니다. 소멸파 방식은 SA의 손상 임계값을 향상시킬 수 있지만 취약성의 단점이 있습니다. 실제 적용을 위해서는 테이퍼형 광섬유 또는 D형 광섬유 기반 광 변조기를 패키징해야 하므로 제조 절차가 매우 복잡합니다. 따라서 미세 제어 MoS₂ 설정 나노 물질은 여전히 ​​더 깊은 탐구가 필요하고 효과적인 제조 방법을 개선하는 것은 여전히 ​​오랜 목표입니다.

이 백서에서는 MoS₂를 준비하는 새로운 방법을 보여줍니다. /SiO₂ MoS₂를 도핑하여 복합 재료 졸-겔 유리의 나노 물질. 잘 알려진 바와 같이 졸-겔 방법은 저온에서 유리를 준비하는 성숙한 접근 방식입니다[45, 46]. MoS₂ 도핑 졸-겔 유리의 나노 물질은 항산화 능력이 우수할 뿐만 아니라 기계적 안정성을 효과적으로 증가시킬 수 있습니다. 또한, 졸-겔 유리는 광섬유와 매칭되는 좋은 굴절률을 갖는다. 따라서 이러한 유형의 복합 재료는 높은 환경 손상 임계값을 보여줍니다. 제안된 MoS₂ 통합 /SiO₂ EDF 레이저 캐비티에 두 가지 모드 잠금 작업을 수행합니다. 90 mW의 펌프 출력에서 ​​기존의 솔리톤 모드 잠금 작동이 얻어집니다. 펄스 지속 시간은 780 fs입니다. 100–600 mW의 펌프 출력 범위에서 또 다른 안정적인 모드 잠금 작동을 실현합니다. 펄스 폭은 1.21 ps이고 최대 출력 전력은 5.11 mW입니다. 결과는 MoS₂ /SiO₂ 복합 재료는 모드 잠금 파이버 레이저 응용 분야에 대한 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

방법

MoS₂ /SiO₂ 복합 재료 준비 절차

MoS₂ /SiO₂ 복합 재료는 졸-겔 방법으로 제조됩니다. 첫 번째 단계에서 MoS₂ 분산액은 액상 박리법으로 제조됩니다. MoS₂ 1밀리그램 나노시트를 10 ml 탈이온수에 넣습니다. 그런 다음 MoS₂ 분산은 6 h 동안 초음파로 수행되고 초음파 세척기의 출력은 90 W로 설정됩니다. 원심 분리 과정 후 안정적인 MoS₂를 얻습니다. 해결책. 한편, 테트라에톡시실란(TEOS), 에탄올 및 탈이온수는 졸-겔 유리 제조를 위해 혼합됩니다. 다음 단계에서는 MoS₂ 용액과 TEOS 혼합물을 혼합합니다. 그런 다음 MoS₂ TEOS 혼합물을 교반하여 MoS₂를 형성합니다. - 도핑된 유리. 이때, 얻어진 혼합물에 염산을 첨가하여 PH를 낮은 값으로 조절한다. 가수분해 및 중축합 공정을 통해 MoS₂ -도핑된 실리카 졸이 얻어진다. 가수분해 및 중축합 과정은 다음과 같은 반응으로 설명할 수 있습니다.

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

가수분해 과정에서 TEOS의 알콕사이드 그룹은 하이드록실 그룹으로 대체됩니다. 중축합 과정에서 Si-OH 그룹은 Si-O-Si 네트워크를 생성합니다. 졸겔 유리 균열 및 MoS₂를 피하기 위해 덩어리, MoS₂ -도핑된 실리카 졸을 50 °C에서 5 시간 동안 교반합니다. 그런 다음 MoS₂ -도핑된 실리카 졸을 플라스틱 셀에 넣고 실온에서 48시간 동안 숙성시킵니다. 마지막 단계에서 실리카 졸을 60 °C에서 1주일 동안 건조한 상자에 넣어 고체 MoS₂를 형성합니다. -도핑된 유리.

파이버 레이저 캐비티

MoS₂를 사용한 EDF 레이저 레이아웃 /SiO₂ 복합 재료는 그림 1에 표시됩니다. 링 레이저 캐비티가 사용됩니다. 펌프 소스는 최대 출력이 650 mW인 광섬유 결합 레이저 다이오드(LD)로, 파장 분할 다중화기(WDM)를 통해 펌프 레이저를 레이저 공동으로 전달합니다. 1.2m 길이의 EDF가 이득 매질로 사용됩니다. PI-ISO(편광 독립 아이솔레이터)는 링 레이저 캐비티에서 단방향 작동을 보장하는 데 사용됩니다. 편광 컨트롤러(PC)는 다양한 편광 상태를 달성하기 위해 사용됩니다. MoS₂ /SiO₂ 복합 재료는 두 개의 섬유 페룰 사이에 끼워져 있습니다. 10/90 광 커플러는 레이저 캐비티 출력 포트에 사용됩니다. 레이저 발진기 공동의 전체 길이는 약 13.3 m입니다.

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EDF 모드 고정 파이버 레이저의 실험 설정

결과 및 토론

MoS의 특성₂ /SiO₂ 복합 재료

그림 2a와 같이 준비된 MoS₂ /SiO₂ 합성 재료는 MoS₂를 나타내는 갈색입니다. 나노시트는 실리카 유리에 통합됩니다. 그림 2b는 SEM 이미지를 보여줍니다. MoS₂ /SiO₂ 복합 재료는 또한 에너지 분산 X선 분광계(EDS)를 특징으로 합니다. 그림 3은 준비된 MoS₂ /SiO₂ 유리는 세 가지 요소(Mo, S, Si)를 포함합니다. MoS₂의 비선형 광학적 특성 /SiO₂ 유리는 균형 잡힌 쌍 감지기 측정 시스템에 의해 조사됩니다. 펄스 레이저 소스는 1550 nm의 중심 파장, 500 fs의 펄스 폭, 23 MHz의 반복률을 가진 집에서 만든 EDF 파이버 레이저입니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 변조 깊이(ΔT)와 포화 강도(I_sat ) 3.5% 및 20.15 MW/cm ² 로 측정됨 , 각각. 펨토초 Ti:sapphire 레이저(중심 파장 800 nm, 펄스 폭 250 fs, 반복율 100 kHz)를 소스로 사용하여 MoS₂의 열 손상 조사 /SiO₂ 복합재료. MoS₂의 광학적 손상 /SiO₂ 테스트 전력이 3.46J/cm ² 로 조정될 때 나타납니다. , 이는 SESAM(반도체 포화 흡수 거울)보다 훨씬 높습니다(500μJ/cm ² ). ).

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아 디지털 사진. ㄴ SEM 이미지

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EDS 스펙트럼

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MoS₂의 비선형 광학 특성 /SiO₂ 복합 재료

MoS₂ /SiO₂ 모드 잠금 파이버 레이저

기존의 솔리톤 모드 잠금 실험 결과는 그림 5와 같다. 모드 잠금 동작은 90 mW의 펌프 출력에서 ​​히스테리시스 현상을 동반한 것으로 관찰된다[47]. 펌프 전력을 75 mW로 낮추면 모드 잠금 상태가 계속 유지됩니다. 90 mW의 펌프 전력에서 모드 잠금 펄스의 광학 스펙트럼은 그림 5a에 나와 있습니다. 중심 파장은 1557 nm에 위치하며 3dB 스펙트럼 폭은 6 nm입니다. Kelly 측파대가 스펙트럼의 양쪽에 대칭적으로 나타나는 것을 분명히 볼 수 있으며, 이는 파이버 레이저가 기존의 솔리톤 모드 잠금 상태에서 작동함을 나타냅니다. 그림 5b는 강도가 균일한 펄스 열의 성능을 보여줍니다. 두 펄스의 간격은 캐비티 왕복 시간에 해당하는 64.2 ns입니다. 솔리톤 펄스의 안정성을 더 연구하기 위해 무선 주파수 스펙트럼이 측정됩니다. 그림 5c는 기본 반복률이 15.76 MHz이고 신호 대 잡음비(SNR)가 65 dB임을 보여줍니다. 펄스 지속 시간은 자기 상관기에 의해 측정됩니다. 그림 5d는 자기 상관 곡선을 보여줍니다. 반치폭(FWHM)은 1.21 ps로 측정되며, Sech ² 적합이 사용됩니다. 펌프 전력을 100mW로 높이고 PC를 변경하지 않은 상태로 유지하면 레이저가 다중 펄스 작동 모드 잠금 체제에 들어가 불안정성과 변동을 나타내므로 모드 잠금이 좁은 펌프 범위에서 작동함을 의미합니다.

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기존 솔리톤 실험 결과:a 광학 스펙트럼, b 펄스 트레인, c 무선 주파수 스펙트럼, d 자기 상관 추적

실험 중에 우리는 또 다른 모드 잠금 상태를 달성합니다. 펌프 전력을 100 mW 및 PC 회전으로 조정하여 이 모드 잠금 작동 상태를 얻습니다. 그림 6a는 해당 광학 스펙트럼을 기록합니다. 광학 스펙트럼은 펌프 출력이 증가함에 따라 점점 더 넓어지고 있습니다. 펌프 전력을 600 mW까지 점진적으로 증가시키면 이 모드 잠금 작동이 항상 유지될 수 있습니다. 상대적으로 작은 강도로 광학 스펙트럼에서 측면이 나타나는 것이 관찰됩니다. 중심 파장은 1557 nm이고 3dB 스펙트럼 폭은 600 mW의 펌프 전력에서 4 nm입니다. 모드 잠금 상태에 대한 오실로스코프 추적은 그림 6b에 나와 있습니다. 두 펄스의 간격은 64.2 ns로 파이버 레이저가 기본 모드 잠금 상태에서 작동하고 있음을 확인합니다. 자기상관 트레이스가 그림 6(c)에 표시되어 있고, 반치폭(FWHM)은 1.97ps이며, 이는 Sech ² 적합이 사용됩니다. 평균 출력 전력 특성은 그림 6d에 나와 있습니다. 펌프 전력이 증가함에 따라 평균 출력 전력은 거의 선형으로 증가합니다. 최대 출력 전력은 600 mW의 펌프 전력에서 5.11 mW로 측정되었습니다.

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실험 결과:a 광학 스펙트럼, b 펄스 트레인, c 자기 상관 추적, d 출력 전력

결론

결론적으로 MoS₂ /SiO₂ MoS₂를 통합하여 제조된 복합 재료 졸-겔 유리의 나노 물질. EDS 스펙트럼은 준비된 MoS₂의 주요 구성 요소를 식별합니다. /SiO₂ 유리. MoS₂의 변조 깊이 및 포화 강도 /SiO₂ 복합 재료는 3.5% 및 20.15 MW/cm ² 로 측정되었습니다. , 각각. MoS₂가 있는 모드 잠금 파이버 레이저 /SiO₂ 추가로 시연됩니다. 펄스 지속 시간이 780 fs인 기존 솔리톤 모드 잠금 상태는 90 mW의 펌프 전력에서 실현됩니다. 100–600 mW의 펌프 출력 범위에서 또 다른 안정적인 모드 잠금 상태가 나타납니다. 펄스 폭은 1.21 ps이고 최대 출력 전력은 5.11 mW입니다. 우리의 결과는 MoS₂ /SiO₂ 복합 재료는 초고속 포토닉스에서 좋은 전망을 가지고 있으며 졸-겔 방법은 TMD 광학 장치의 제조를 위한 새로운 방법을 제공합니다.

약어

2D:

2차원

CVD:

화학 기상 증착

EDF:

Er 도핑된 섬유

EDS:

에너지 분산 X선 분광기

FWHM:

최대 절반에서 전체 너비

나는_sat :

포화 강도

LD:

레이저 다이오드

LPE:

액상 각질 제거

저:

기계적 각질 제거

MSD:

마그네트론 스퍼터링 증착

PC:

편광 컨트롤러

PI-ISO:

편광 독립 아이솔레이터

PLD:

펄스 레이저 증착

SA:

포화 흡수제

SESAM:

반도체 포화 흡수 거울

SNR:

신호 대 잡음비

TEOS:

테트라에톡시실란

TMD:

전이금속 디칼코게나이드

WDM:

파장 분할 다중화기

ΔT:

변조 깊이

폴리아닐린과 CeO2가 함께 장식된 TiO2 나노튜브 어레이의 손쉬운 준비 및 특성화 및 고효율 광전촉매 활성 담관암 세포 억제를 위한 반응성 산소종 민감 나노섬유 매트를 사용한 Piperlongumine 용출 위장 스텐트