CN111123559A - 一种基于Bi4Br4的红外全光调制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于Bi4Br4的红外全光调制装置，本发明利用拓扑材料的边缘态光吸收属性，实现全光调制，响应范围在大于7微米的中远红外波段，具有响应范围宽的特点；本发明中，采用全光调制，利用拓扑材料的边缘态的快速响应性质，不同于能带间的跃迁弛豫过程，可以实现皮秒级的响应，大大快于其他类型的调制器，利用飞秒激光泵浦可实现皮秒尺度的超快光调制，有利于设计高通量信息通讯系统；本发明还利用拓扑材料的各向异性特征，可以实现光波的偏振调制，在同一装置实现光吸收强度和偏振多维度调制；由于Bi4Br4在室温下即存在强烈的红外吸收特性，制作光调制器无需苛刻的环境条件要求。

Description

一种基于Bi4Br4的红外全光调制装置
技术领域
本发明属于红外光学技术领域，具体涉及一种基于Bi4Br4的红外全光调制装置。
背景技术
光调制器是通过控制光波的强度、相位、偏振等特性将信号加载到光波上，用于光通讯系统。光调制器利用不同的物理效应如电光效应、声光效应、磁光效应、Franz-Keldysh效应、量子阱Stark效应等实现电光调制、声光调制、磁光调制、全光调制等。拓扑材料由于其独特的具有自旋动量锁定的表面态和边缘态，表现出奇异的光学、光电子学特性，用于开发全新的光学器件、光电器件和电子器件。Bi4Br4是一种拓扑绝缘体，在(100)面上，拥有起源于拓扑边缘态的一种电子态，在能带结构中位于带隙中间，能够显著吸收小于带隙(0.2eV)的中远红外的光子，在大于7微米中远红外波段具有宽光谱的响应(文献J.J.Zhou,W.X.Feng,C.C.Liu,S.Guan,Y.G.Yao,Large-gap quantum spin hall insulator insingle layer bismuth monobromide Bi4Br4.Nano Lett.14,4767-4771(2014))。由于其态密度较小，因此在吸收一定量光子后，容易达到饱和，而相应波段的光学透过率也会发生明显改变。利用这一性质，采用超快激光泵浦，将数量有限的边缘电子激发至导带，边缘态特有的光吸收属性消失，导致红外光透过率改变，透射光强度从而被调制。另一方面，由于Bi4Br4本身的一维链状结构，使得它具有明显的各向异性行为，因此对不同偏振光的调制能力不同，可以实现光波的偏振调制。利用这些性质制成全光调制器，可以实现中远红外波段下的强度和偏振的快速调制，有利于新型红外光学系统的设计和制备。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于Bi4Br4的红外全光调制装置，可以实现中远红外波段下的强度和偏振的快速调制。
一种基于Bi4Br4的红外全光调制装置，包括泵浦激光源、直流连续激光源、Bi4Br4薄膜基片(5)以及带通滤光片(6)；
所述泵浦激光源用于产生泵浦激光(1)；
所述直流连续激光源用于产生直流连续激光(2)；
所述Bi4Br4薄膜基片(5)接收光非共线传播且在其表面相交的泵浦激光(1)和直流连续激光(2)；
所述Bi4Br4薄膜基片用于在泵浦激光(1)的泵浦下对直流连续激光(2)进行7微米至几十微米的光吸收调制；
所述带通滤光片(6)用于接收从Bi4Br4薄膜基片出射的激光，滤掉泵浦激光散射的光信号，得到被调制的直流激光信号光。
进一步的，还包括第一反射镜(3)和第二反射镜(4)，用于分别将泵浦激光(1)和直流连续激光(2)反射到Bi4Br4薄膜基片(5)上。
本发明具有如下有益效果：
由于拓扑边缘态是连续的，其对红外光子的吸收无波长选择特性，故可实现7微米以上直至几十微米的光吸收调制。本发明利用拓扑材料的边缘态光吸收属性，实现全光调制，响应范围在大于7微米的中远红外波段，具有响应范围宽的特点。
本发明中，采用全光调制，利用拓扑材料的边缘态的快速响应性质，不同于能带间的跃迁弛豫过程，可以实现皮秒级的响应，大大快于其他类型的调制器，利用飞秒激光泵浦可实现皮秒尺度的超快光调制，有利于设计高通量信息通讯系统；本发明还利用拓扑材料的各向异性特征，可以实现光波的偏振调制，在同一装置实现光吸收强度和偏振多维度调制；由于Bi4Br4在室温下即存在强烈的红外吸收特性，制作光调制器无需苛刻的环境条件要求。
附图说明
图1为Bi4Br4样品的显微红外吸收光谱曲线；
图2为本发明的一种基于Bi4Br4的红外全光调制装置光路图。
其中，1-泵浦激光，2-直流连续激光，3-第一反射镜，4-第二反射镜，5-Bi4Br4薄膜基片，6-滤光片，7-调制后激光。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，是实验过程中采集的Bi4Br4样品的显微红外吸收光谱曲线，光谱使用德国布鲁克公司生产的傅里叶变换红外显微镜采集，(Hyperion 3000),采集数据的空间分辨率为2.7μm，样品为机械剥离方法剥离至氟化钙创片表面的α-Bi4Br4单晶，单晶厚度150nm，宽度20μm。图1中数据均为去背景收集，在氟化钙表面收集的数据为近似0线说明背景扣除无误。从样品中心采集的光吸收曲线上可以明显的看出，样品对于能量大于带隙的光子的吸收能力远强于能量小于带隙的光子，吸收边位置在6000nm(对应0.21eV)，基于该实验结果，本发明设计了一种基于Bi4Br4的全光调制器装置。
如图2所示，该装置包括泵浦激光源、直流连续激光源、第一反射镜3、第二反射镜4、Bi4Br4薄膜基片5以及带通滤光片6。泵浦激光1经第一反射镜2反射照射到Bi4Br4薄膜基片5表面，同时，直流连续激光2经第二反射镜4反射至Bi4Br4薄膜基片5处，两束光非共线传播，在Bi4Br4薄膜基片5处相交。Bi4Br4多晶薄膜可根据被调制光的波段选择氟化钙、硒化锌或金刚石窗口进行生长。泵浦激光调制后的直流激光2经过带通滤光片6，滤掉泵浦激光散射的光信号，就可以得到被调制的直流激光信号光。
其中，泵浦激光源为超短脉冲激光器，脉冲光能量密度为100微焦/平方厘米，脉冲间隔可被人为编码控制。直流激光源的平均光功率密度小于5微焦/平方厘米。Bi4Br4多晶薄膜可根据被调制光的波段选择氟化钙、硒化锌或金刚石窗口进行生长。所有光学元器件均能工作在红外波段3-40微米范围。
本发明的装置的工作原理在于Bi4Br4是具有一维链状结构的二维拓扑材料，拓扑保护的边缘态存在于样品的所有边缘，无论是直边还是斜边均存在无带隙的电子态结构。这样的能带分布特征决定了其边缘对于能量小于带隙0.2eV的红外光子存在极强的吸收。同时Bi4Br4的边缘态宽度仅几个纳米，其边缘态电子数量有限，易发生光饱和吸收。当边缘态电子吸收红外光达到饱和状态后，其对红外光的透过率将极大增强，从而实现了光调制效应。见边缘处采集的红外吸收光谱。由于光斑部分移出样品此时光吸收值明显较中心低，4000nm处的光吸收强度值红线仅为蓝线的四分之一。与大能量光子吸收明显不同，样品边缘对于能量小于带隙的光子的吸收并未随光斑移至边缘明显下降，8000nm处边缘的吸收强度可达中心的70％左右。结合对样品能带结构理论分析，可以断定边缘对小于带隙光子的强吸收是由于拓扑边缘态带来的。我们假设样品拓扑边缘态的宽度为10nm，计算可知样品边缘对小于带隙的红外光的吸收高于样品中心两个量级以上。综上，结合实验分析和理论计算，样品拓扑边缘态的远红外光响应有光调制器方向的应用价值。
本发明还利用拓扑材料的各向异性特征，可以实现光波的偏振调制，在同一装置实现光吸收强度和偏振多维度调制：基于样品的晶格结构，经试验研究发现，Bi4Br4材料对沿分子链方向偏振的红外光吸收强于垂直于分子链方向。样品体态对沿分子链方向的红外光吸收为垂直于分子链方向的红外光吸收的二倍，样品边缘态对沿分子链方向的红外光吸收可达垂直于分子链方向的红外光吸收值的十倍以上。基于样品这一特性，除红外光强度调制之外，样品在光偏振调制方面同样有广阔的应用前景。具体实施手段与强度调制类似，应用光子能量大于带隙的超快激光激发样品，将边缘态电子激发至导带即可调控样品的偏振吸收特性的有无。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于Bi4Br4的红外全光调制装置，其特征在于，包括泵浦激光源、直流连续激光源、Bi4Br4薄膜基片(5)以及带通滤光片(6)；
所述泵浦激光源用于产生泵浦激光(1)；
所述直流连续激光源用于产生直流连续激光(2)；
所述Bi4Br4薄膜基片(5)接收光非共线传播且在其表面相交的泵浦激光(1)和直流连续激光(2)；
所述Bi4Br4薄膜基片用于在泵浦激光(1)的泵浦下对直流连续激光(2)进行7微米至几十微米的光吸收调制；
所述带通滤光片(6)用于接收从Bi4Br4薄膜基片出射的激光，滤掉泵浦激光散射的光信号，得到被调制的直流激光信号光。
2.如权利要求1所述的一种基于Bi4Br4的红外全光调制装置，其特征在于，还包括第一反射镜(3)和第二反射镜(4)，用于分别将泵浦激光(1)和直流连续激光(2)反射到Bi4Br4薄膜基片(5)上。
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