Modengekoppelter Er-dotierter Faserlaser unter Verwendung eines sättigbaren MoS2/SiO2-Absorbers

Einführung

Nichtlineare optische Materialien, insbesondere solche mit 2D-Strukturen, bilden die Grundlage der optoelektronischen Entwicklung [1,2,3,4,5]. Das Graphen wurde als optischer Modulator für den Einsatz in diversen gepulsten Lasern intensiv untersucht und es wurden hervorragende Ergebnisse erzielt [6, 7]. Kürzlich wurden zahlreiche neue 2D-Materialien wie topologische Isolatoren [8, 9], Übergangsmetalldichalkogenid (TMD) [10,11,12,13,14], schwarzer Phosphor [15], MXen [16], Bismuthen [17], Metall-organische Gerüste [18] und Perowskit [19] haben optische Breitband-Nichtlinearitäten gezeigt. Darüber hinaus gelten diese 2D-Materialien als vielversprechende optische Modulatormaterialien der nächsten Generation [20, 21]. Das MoS₂ ist ein repräsentativer TMD-Halbleiter mit Kristallschichten, die aus drei alternierenden hexagonalen Ebenen von Mo und S bestehen [22]. Abhängig von den Koordinations- und Oxidationsstufen der Übergangsmetallatome ist MoS₂ kann entweder halbleitend oder metallisch sein. Die sättigbare Breitbandabsorption und die hohe nichtlineare Suszeptibilität dritter Ordnung wurden gründlich untersucht [23,24,25]. Neuere Arbeiten zeigen, dass das MoS₂ hat eine bessere sättigbare Absorptionsreaktion als Graphen, indem eine Z-Scan-Technik mit offener Apertur für ultraschnelle nichtlineare optische Eigenschaften verwendet wird [26, 27]. Basierend auf dem MoS₂ Materialien wurden die entsprechenden optischen Modulatorvorrichtungen erfolgreich für gepulste Laser verwendet. Bisher gepulste Faserlaser mit MoS₂ bei verschiedenen zentralen Wellenlängen von 635 nm, 980 nm, 1030 nm, 1560 nm, 1925 nm und 2950 nm erreicht [28,29,30,31,32,33]. Ultraschnelle Faserlaser auf Basis von MoS₂ Aussenden von Pulsen mit Pulsdauern von Hunderten von Femtosekunden bis zu wenigen Pikosekunden wurde ebenfalls berichtet [34, 35]. Darüber hinaus sind gepulste Faserlaser mit hoher Wiederholrate und MoS₂ wurden realisiert [36, 37].

Normalerweise ist MoS₂ Nanomaterialien werden durch mechanische Exfoliation (ME)-Methode [38], Flüssigphasen-Exfoliation (LPE)-Methode [39], hydrothermale Methode [40, 41], chemische Gasphasenabscheidung (CVD)-Methode [42], gepulste Laserabscheidung (PLD) hergestellt -Methode [43] und Magnetron-Sputtering-Deposition (MSD)-Methode [44]. Jede Methode hat ihre Stärken und Schwächen. Zum Beispiel ist die ME-Methode die erste berichtete Technik zum Erhalten einer Schichtstruktur MoS₂ . Dieses Verfahren hat jedoch die Nachteile einer schlechten Skalierbarkeit und einer geringen Ausbeute, was die Anwendungen im großen Maßstab behindert. Um die Mängel der ME-Methode zu überwinden, bietet CVD einen kontrollierbaren Ansatz für die Herstellung von ein- und mehrschichtigem MoS₂ . Während für das MoS₂ Wachstum ist oft eine Vorbehandlung des Substrates erforderlich. PLD und MSD sollten die idealen Methoden für den Anbau von hochwertigem MoS₂ . sein Film direkt mit unterschiedlichen Größen und Flächen, aber mit vielen Kristallfehlern. Die gemeldete Technologie zum Einbau von MoS₂ in Faserlaser kann hauptsächlich in zwei Methoden unterteilt werden:(1) direktes Sandwiching des MoS₂ -basierte SAs zwischen zwei Glasfaseranschlüssen durch Mischen des MoS₂ Nanomaterialien in Polymerfilm und (2) Abscheidung des MoS₂ Nanomaterialien auf sich verjüngender Faser oder D-förmiger Faser unter Verwendung der evaneszenten Wellenwechselwirkung. Der Sandwich-Typ MoS₂ optische Modulatoren haben die Vorteile von Flexibilität und Bequemlichkeit. Es hat auch den Schwachpunkt einer geringen thermischen Schädigung. Die Methode der evaneszenten Welle kann die Schadensschwelle von SAs erhöhen, hat jedoch den Nachteil der Zerbrechlichkeit. Für praktische Anwendungen müssen optische Modulatoren auf der Basis von konischen Fasern oder D-förmigen Fasern verpackt werden, was das Herstellungsverfahren sehr kompliziert macht. Daher die Einrichtung eines fein kontrollierten MoS₂ Nanomaterialien müssen noch eingehender erforscht werden, und die Verbesserung der effektiven Herstellungsverfahren ist nach wie vor ein langjähriges Ziel.

In diesem Artikel demonstrieren wir eine neuartige Methode zur Herstellung des MoS₂ /SiO₂ Verbundmaterialien durch Dotierung des MoS₂ Nanomaterialien in Sol-Gel-Glas. Bekanntlich ist die Sol-Gel-Methode ein ausgereifter Ansatz, um das Glas bei niedriger Temperatur herzustellen [45, 46]. Doping des MoS₂ Nanomaterialien im Sol-Gel-Glas haben nicht nur die Vorzüge einer guten antioxidativen Kapazität, sondern können auch die mechanische Stabilität effektiv erhöhen. Darüber hinaus weist das Sol-Gel-Glas eine gute Anpassung des Brechungsindex an die optische Faser auf. Daher weist diese Art von Verbundmaterial eine hohe Umweltschädigungsschwelle auf. Durch die Einbeziehung des vorgeschlagenen MoS₂ /SiO₂ in die EDF-Laserkavität erreichen wir zwei Arten von Modenkopplungsoperationen. Bei einer Pumpleistung von 90  mW wird der konventionelle Soliton-Moden-Locking-Betrieb erreicht. Die Impulsdauer beträgt 780 fs. Im Pumpleistungsbereich von 100–600 mW realisieren wir zudem einen weiteren stabilen Mode-Locking-Betrieb. Die Pulsbreite beträgt 1,21 ps und die maximale Ausgangsleistung beträgt 5,11 mW. Die Ergebnisse zeigen, dass das MoS₂ /SiO₂ Verbundwerkstoffe besitzen ein großes Potenzial für modengekoppelte Faserlaseranwendungen.

Methoden

MoS₂ /SiO₂ Vorbereitungsverfahren für Verbundmaterialien

Das MoS₂ /SiO₂ Verbundmaterialien werden nach dem Sol-Gel-Verfahren hergestellt. Im ersten Schritt wird das MoS₂ Die Dispersion wird durch ein Flüssigphasen-Exfoliationsverfahren hergestellt. Ein Milligramm MoS₂ Nanoblätter werden in 10 ml entionisiertes Wasser gegeben. Dann das MoS₂ Die Dispergierung erfolgt mit Ultraschall für 6 h und die Leistung des Ultraschallreinigers ist auf 90 W eingestellt. Nach dem Zentrifugationsprozess erhalten wir das stabile MoS₂ Lösung. Andererseits werden Tetraethoxysilan (TEOS), Ethanol und entionisiertes Wasser für die Sol-Gel-Glasherstellung gemischt. Im nächsten Schritt wird das MoS₂ Lösung und die TEOS-Mischung werden gemischt. Dann das MoS₂ und die TEOS-Mischung wird gerührt, um das MoS₂ . zu bilden -dotiertes Glas. Zu diesem Zeitpunkt wird der erhaltenen Mischung Salzsäure zugesetzt, um den pH-Wert auf einen niedrigen Wert zu kontrollieren. Durch Hydrolyse und Polykondensation wird das MoS₂ -dotiertes Kieselsäuresol wird erhalten. Der Hydrolyse- und Polykondensationsprozess kann wie folgt beschrieben werden:

Während des Hydrolyseprozesses werden die Alkoxidgruppen des TEOS durch die Hydroxylgruppen ersetzt. Beim Polykondensationsprozess erzeugen die Si-OH-Gruppen die Si-O-Si-Netzwerke. Um zu vermeiden, dass das Sol-Gel-Glas bricht und MoS₂ Agglomeration, die MoS₂ -dotiertes Kieselsol werden 5 h bei 50 °C gerührt. Dann das MoS₂ -dotiertes Kieselsol werden in die Kunststoffzellen gegeben und 48 h bei Raumtemperatur gealtert. Im letzten Schritt das Kieselsol 1 Woche lang bei 60 °C in eine Trockenbox geben, um festes MoS₂ . zu bilden -dotiertes Glas.

Faserlaserkavität

Das Layout des EDF-Lasers mit MoS₂ /SiO₂ Verbundmaterial ist in Abb. 1 dargestellt. Die Ringlaserkavität wird verwendet. Die Pumpquelle ist eine fasergekoppelte Laserdiode (LD) mit der maximalen Ausgangsleistung von 650 mW, die den Pumplaser über den Wellenlängenmultiplexer (WDM) in die Laserkavität liefert. Als Verstärkungsmedium wird ein 1,2 m langer EDF verwendet. Ein polarisationsunabhängiger Isolator (PI-ISO) wird verwendet, um den unidirektionalen Betrieb in der Ringlaserkavität sicherzustellen. Ein Polarisationscontroller (PC) wird eingeschaltet, um verschiedene Polarisationszustände zu erreichen. Ein MoS₂ /SiO₂ Verbundmaterial wird zwischen zwei Faserhülsen eingelegt. Der optische 10/90-Koppler wird am Ausgangsport des Laserhohlraums verwendet. Die Gesamtlänge des Laseroszillatorhohlraums beträgt etwa 13,3 m.

Experimenteller Aufbau eines modengekoppelten EDF-Faserlasers

Ergebnisse und Diskussion

Charakterisierung von MoS₂ /SiO₂ Verbundmaterialien

Wie in Abb. 2a gezeigt, ist das vorbereitete MoS₂ /SiO₂ Verbundmaterial ist die braune Farbe, die das MoS₂ . anzeigt Nanoblätter werden in das Quarzglas eingearbeitet. Abbildung 2b zeigt das SEM-Bild. Das MoS₂ /SiO₂ Verbundmaterial ist auch durch ein energiedispersives Röntgenspektrometer (EDS) gekennzeichnet. Abbildung 3 zeigt das EDS-Spektrum, das darauf hindeutet, dass das präparierte MoS₂ /SiO₂ Glas enthält drei Elemente (Mo, S und Si). Die nichtlinearen optischen Eigenschaften von MoS₂ /SiO₂ Glas werden mit dem Balanced-Twin-Detektor-Messsystem untersucht. Die Pulslaserquelle ist der selbstgebaute EDF-Faserlaser mit einer zentralen Wellenlänge von 1550 nm, einer Pulsbreite von 500 fs und einer Repetitionsrate von 23 MHz. Wie aus Abb. 4 ersichtlich, sind die Modulationstiefe (ΔT) und die Sättigungsintensität (I_sat ) werden mit 3,5 % und 20,15  MW/cm ² . gemessen , bzw. Als Quelle zur Untersuchung der thermischen Schädigung von MoS₂ . wird ein Femtosekunden-Ti:Saphir-Laser (zentrale Wellenlänge 800 nm, Pulsbreite 250 fs, Repetitionsrate 100 kHz) verwendet /SiO₂ Verbundwerkstoff. Der optische Schaden des MoS₂ /SiO₂ erscheint, wenn die Testleistung auf 3,46 J/cm ² . eingestellt ist , die viel höher ist als die von Halbleiter-Sättigbaren Absorber-Spiegeln (SESAM) (500 μJ/cm ² .) ).

a Digitale Fotos. b REM-Bild

EDS-Spektrum

Nichtlineare optische Eigenschaften von MoS₂ /SiO₂ Verbundmaterialien

MoS₂ /SiO₂ Modengekoppelter Faserlaser

Die experimentellen Ergebnisse der konventionellen Soliton-Modenkopplung sind in Abb. 5 dargestellt. Der Modenkopplungsbetrieb wird bei einer Pumpleistung von 90 mW beobachtet, die das Hysteresephänomen begleitet [47]. Durch Einstellen der Pumpleistung auf 75 mW wird der Modus-Locking-Zustand immer noch aufrechterhalten. Das optische Spektrum der Modenkopplungspulse bei der Pumpleistung von 90 mW ist in Fig. 5a dargestellt. Die zentrale Wellenlänge liegt bei 1557 nm und die spektrale Breite von 3 dB beträgt 6 nm. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Kelly-Seitenbänder an beiden Seiten des Spektrums symmetrisch auftraten, was darauf hinweist, dass der Faserlaser im konventionellen Modus mit Soliton-Modenkopplung arbeitet. Abbildung 5b zeigt die Leistung des Pulszugs mit einheitlicher Intensität. Das Intervall von zwei Impulsen beträgt 64,2 ns, entsprechend der Resonator-Roundtrip-Zeit. Um die Stabilität des Solitonenpulses weiter zu untersuchen, wird das Hochfrequenzspektrum gemessen. Abbildung 5c zeigt, dass die Grundwiederholrate 15,76   MHz beträgt und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) 65   dB beträgt. Die Pulsdauer wird von einem Autokorrelator gemessen. Abbildung 5d zeigt die Autokorrelationskurve. Die Halbwertsbreite (FWHM) wird mit 1,21 ps gemessen, was anzeigt, dass die Pulsdauer 780 fs beträgt, wenn ein Sech ² Passform verwendet wird. Wir erhöhen einfach die Pumpleistung auf 100 mW und lassen den PC unverändert. Der Laser tritt in einen Modus mit mehreren Pulsen ein, der Instabilität und Fluktuationen aufweist, was bedeutet, dass die Modenkopplung in einem engen Pumpbereich arbeitet.

Konventionelle experimentelle Solitonenergebnisse:a optisches Spektrum, b Impulsfolge, c Hochfrequenzspektrum, d Autokorrelations-Trace

Während der Experimente erreichen wir einen anderen Modenkopplungszustand. Durch Einstellen der Pumpenleistung auf 100 mW und der PC-Rotation erhalten wir diesen Modus-Locking-Betriebszustand. Abbildung 6a zeichnet das entsprechende optische Spektrum auf. Das optische Spektrum wird mit zunehmender Pumpleistung immer breiter. Durch schrittweises Erhöhen der Pumpleistung auf 600  mW kann dieser Modus-Verriegelungsbetrieb immer aufrechterhalten werden. Es wird beobachtet, dass die Seiten im optischen Spektrum mit relativ geringer Intensität erschienen. Die zentrale Wellenlänge beträgt 1557 nm und die spektrale Breite von 3 dB beträgt 4 nm bei einer Pumpleistung von 600  mW. Die Oszilloskopspur für den Modusverriegelungszustand ist in Fig. 6b dargestellt; das Intervall von zwei Pulsen beträgt 64,2 ns, was bestätigt, dass der Faserlaser im fundamentalen Modenkopplungszustand arbeitet. Die Autokorrelationskurve ist in Fig. 6(c) dargestellt, die Halbwertsbreite (FWHM) beträgt 1,97 ps, was bedeutet, dass die Pulsdauer 1,21 ps beträgt, wenn ein Sech ² Passform verwendet wird. Die durchschnittlichen Ausgangsleistungskennlinien sind in Fig. 6d gezeigt. Mit steigender Pumpleistung steigt die durchschnittliche Ausgangsleistung nahezu linear an. Die maximale Ausgangsleistung wird mit 5,11 mW bei einer Pumpleistung von 600 mW gemessen.

Experimentelle Ergebnisse:a optisches Spektrum, b Impulsfolge, c Autokorrelationsspur, d Ausgangsleistung

Schlussfolgerung

Zusammenfassend haben wir die MoS₂ . gemeldet /SiO₂ Verbundwerkstoffe, die durch Einbringen des MoS₂ . hergestellt werden Nanomaterialien in Sol-Gel-Glas. EDS-Spektrum identifiziert die Hauptkomponente von präpariertem MoS₂ /SiO₂ Glas. Die Modulationstiefe und Sättigungsintensität von MoS₂ /SiO₂ Verbundmaterialien werden mit 3,5 % und 20,15  MW/cm ² . gemessen , bzw. Modengekoppelter Faserlaser mit MoS₂ /SiO₂ wird weiter demonstriert. Der konventionelle Soliton-Mode-Locking-Zustand mit einer Pulsdauer von 780 fs wird bei einer Pumpleistung von 90 mW realisiert. Im Pumpleistungsbereich von 100–600 mW wird ein weiterer stabiler Modenkopplungszustand präsentiert. Die Pulsbreite beträgt 1,21 ps und die maximale Ausgangsleistung beträgt 5,11 mW. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das MoS₂ /SiO₂ Verbundmaterialien haben gute Aussichten in der ultraschnellen Photonik und die Sol-Gel-Methode bietet einen neuen Weg für die Herstellung von optischen TMD-Bauelementen.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

Lebenslauf:

Chemische Gasphasenabscheidung

EDF:

Er-dotierte Faser

EDS:

Energiedispersives Röntgenspektrometer

FWHM:

Volle Breite auf halbem Maximum

I_Sat :

Sättigungsintensität

LD:

Laserdiode

LPE:

Flüssigphasen-Peeling

ICH:

Mechanisches Peeling

MSD:

Magnetron-Sputter-Abscheidung

PC:

Polarisationsregler

PI-ISO:

Polarisationsunabhängiger Isolator

PLD:

Gepulste Laserabscheidung

SA:

Sättigungsfähiger Absorber

SESAM:

Spiegel mit sättigbarem Halbleiterabsorber

SNR:

Signal-Rausch-Verhältnis

TEOS:

Tetraethoxysilan

TMD:

Übergangsmetalldichalkogenid

WDM:

Wellenlängen-Multiplexer

ΔT:

Modulationstiefe