CN113534329A - 一种基于二维材料的非线性光纤及测试方法 - Google Patents
一种基于二维材料的非线性光纤及测试方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113534329A CN113534329A CN202010299998.5A CN202010299998A CN113534329A CN 113534329 A CN113534329 A CN 113534329A CN 202010299998 A CN202010299998 A CN 202010299998A CN 113534329 A CN113534329 A CN 113534329A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optical fiber
- dimensional material
- fiber
- nonlinear
- nonlinear optical
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 138
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 106
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims description 9
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 67
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 36
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000010998 test method Methods 0.000 claims abstract description 6
- CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N molybdenum disulfide Chemical compound S=[Mo]=S CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 30
- 229910052982 molybdenum disulfide Inorganic materials 0.000 claims description 30
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 26
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 19
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 15
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 claims description 12
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 11
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 10
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 claims description 10
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 8
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 8
- -1 transition metal chalcogenide Chemical class 0.000 claims description 8
- 235000015393 sodium molybdate Nutrition 0.000 claims description 7
- 239000011684 sodium molybdate Substances 0.000 claims description 7
- TVXXNOYZHKPKGW-UHFFFAOYSA-N sodium molybdate (anhydrous) Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Mo]([O-])(=O)=O TVXXNOYZHKPKGW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 7
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 claims description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 6
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 5
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 claims description 5
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 claims description 5
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 claims description 5
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 claims description 4
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 claims description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 2
- 239000011162 core material Substances 0.000 description 14
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 229910052798 chalcogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001787 chalcogens Chemical class 0.000 description 1
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 description 1
- 238000007146 photocatalysis Methods 0.000 description 1
- 230000005622 photoelectricity Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C25/00—Surface treatment of fibres or filaments made from glass, minerals or slags
- C03C25/10—Coating
- C03C25/12—General methods of coating; Devices therefor
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C25/00—Surface treatment of fibres or filaments made from glass, minerals or slags
- C03C25/10—Coating
- C03C25/42—Coatings containing inorganic materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
- C23C16/305—Sulfides, selenides, or tellurides
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
- G01M11/30—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides
- G01M11/33—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides with a light emitter being disposed at one fibre or waveguide end-face, and a light receiver at the other end-face
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于二维材料的非线性光纤及测试方法，在所述光纤的至少部分表面上覆盖有二维材料薄膜；其中，所述二维材料薄膜通过直接生长的方法覆盖在所述光纤的至少部分表面上。相比采用二维材料薄膜涂覆或转移的方法制备的光纤，本发明的光纤中二维材料薄膜具有高质量和可重复性。本发明的基于二维材料的非线性光纤的测试方法，证明了基于二维材料的非线性光纤具有高的非线性信号。本发明通过集成高质量二维材料薄膜和光纤实现了高的非线性响应，且这种二维材料非线性光纤具有优良的全光纤集成能力，可广泛应用于光纤通信、频率转换和脉冲激光产生等领域。
Description
技术领域
本发明涉及光纤技术和非线性光学领域，具体涉及一种基于二维材料的非线性光纤及测试方法。
背景技术
自上世纪中叶光纤的概念被提出以来，得益于其宽频谱、低损耗、强抗干扰能力等诸多特性，光纤被广泛运用于现代通信系统及网络中，成为现代通信技术网络的重要根基和未来的重要发展方向。其中，光纤中的非线性效应也愈发引起了大家的研究兴趣，光束在光纤中传播时可以同时满足高功率密度和长相互作用距离的要求，大大提高了非线性信号产生的效率。但是，传统的熔融石英光纤由于纤芯材料极低的非线性，已经无法满足非线性光纤光学的需求。因此，近几十年来，基于元素掺杂(硫族元素等)、半导体材料填充以及光纤结构设计(悬空石英纤芯等)的方法被逐渐提出，实现了一些非线性光纤光学的应用，例如四波混频、拉曼移频、超连续光源产生等。这些方法存在填充元素非线性系数低以及光纤结构设计复杂的问题，因而不能得到广泛的应用。因此，急需一种可以实现高非线性且具有光纤兼容性的新型非线性光纤材料。
近年来，二维材料由于其原子层厚度的平面结构特征、优异的光电性质和超高的非线性系数，成为了研究的热点，被广泛应用于光电，光伏，光催化及非线性光学等领域。然而，在二维材料中，有限的光与物质相互作用长度，极大地限制了非线性信号强度。因此如何提高其相互作用强度成为二维材料实现实际的非线性光学应用的一个关键。得益于二维材料原子层厚度，使得其可以方便且高效的和光纤结构结合，但是传统的结合工艺一般是通过转移或涂覆技术实现，因此难以得到高性能且具有良好重复性的二维材料非线性光纤，无法满足实际的需求。
发明内容
针对以上现有技术中高非线性光纤遇到的问题，本发明的目的是为了提供一种直接生长的二维材料非线性光纤及测试方法。
本发明提供一种直接生长的二维材料的非线性光纤，在所述光纤的至少部分表面上覆盖有二维材料薄膜；
其中，所述二维材料薄膜通过直接生长的方法覆盖在所述光纤的至少部分表面上。
优选的是，所述直接生长的方法包括但不限于化学气相沉积、化学气相传输或物理气相沉积；
优选的是，所述直接生长的方法包括化学气相沉积；
优选的是，所述直接生长的方法包括如下步骤：
步骤一、将采用钼酸钠溶液浸润处理后的光纤和硫粉末放置于化学气相沉积反应炉中，通入惰性气体作为载气和保护气，维持管内压强至100-300Pa；
步骤二、控制光纤区域升温至60-150℃后，低压干燥20-60分钟，然后升温至750-850℃，此时硫粉末控制在120-150℃，开始进入生长阶段，生长时间为10-60分钟，生长结束后，关闭加热电源，得到二硫化钼非线性光纤；
优选的是，所述光纤放置于所述化学气相沉积反应炉的高温区，所述硫粉末放置于所述化学气相沉积反应炉的低温区，沿惰性气体流动的方向依次设置所述低温区和所述高温区且所述高温区与所述低温区间隔一定距离；
优选的是，所述二硫化钼非线性光纤的二次谐波信号相比于平面上单层二硫化钼二次谐波信号提高了300倍，所述二硫化钼非线性光纤的三次谐波信号相比于平面上单层二硫化钼三次谐波信号提高了330倍。
优选的是，所述光纤包括但不限于D型光纤、单孔光纤或多孔光子晶体光纤；
优选的是，所述光纤的纤芯为空芯或实芯；
所述的二维材料包括但不限于石墨烯、过渡金属硫族化合物、过渡金属碳化物、过渡金属氮化物、黑磷或二维半导体材料；
优选的是，所述二维材料薄膜覆盖在带孔光纤孔的内壁和/或光纤表面，或者所述二维材料薄膜覆盖在D型光纤的接近纤芯的侧剖面部分；
优选的是，所述二维材料薄膜的厚度为1-20层。
本发明还提供一种基于二维材料的非线性光纤的制备方法，所述方法包括如下步骤：
提供一根光纤；
在所述光纤的至少部分表面上覆盖二维材料薄膜；
其中，所述二维材料薄膜通过直接生长的方法覆盖在所述光纤的至少部分表面上。
优选的是，所述直接生长的方法包括但不限于化学气相沉积、化学气相传输或物理气相沉积；
优选的是，所述直接生长的方法包括化学气相沉积；
优选的是，所述直接生长的方法包括如下步骤：
步骤一、将采用钼酸钠溶液浸润处理后的光纤和硫粉末放置于化学气相沉积反应炉中，通入惰性气体作为载气和保护气，维持管内压强至100-300Pa；
步骤二、控制光纤区域升温至60-150℃后，低压干燥20-60分钟，然后升温至750-850℃，此时硫粉末控制在120-150℃，开始进入生长阶段，生长时间为10-60分钟，生长结束后，关闭加热电源，得到二硫化钼非线性光纤；
优选的是，所述光纤放置于所述化学气相沉积反应炉的高温区，所述硫粉末放置于所述化学气相沉积反应炉的低温区，沿惰性气体流动的方向依次设置所述低温区和所述高温区且所述高温区与所述低温区间隔一定距离；
优选的是，所述二硫化钼非线性光纤的二次谐波信号相比于平面上单层二硫化钼二次谐波信号提高了300倍，所述二硫化钼非线性光纤的三次谐波信号相比于平面上单层二硫化钼三次谐波信号提高了330倍。
优选的是，所述光纤包括但不限于D型光纤、单孔光纤或多孔光子晶体光纤；
优选的是，所述光纤的纤芯为空芯或实芯；
所述的二维材料包括但不限于石墨烯、过渡金属硫族化合物、过渡金属碳化物、过渡金属氮化物、黑磷或二维半导体材料；
优选的是，所述二维材料薄膜覆盖在带孔光纤孔的内壁和/或光纤表面，或者所述二维材料薄膜覆盖在D型光纤的接近纤芯的侧剖面部分；
优选的是，所述二维材料薄膜的厚度为1-20层。
本发明还提供一种二维材料非线性光纤的非线性信号测试装置，所述装置包括：脉冲激光光源、激发光滤色片、反射镜、聚焦物镜、白光照明光源、第一分光镜、第二分光镜、第一透镜、成像相机、收集物镜、信号光滤色片、第二透镜、光谱仪；被测二维材料非线性光纤样品放置于聚焦物镜和收集物镜之间；
其中，脉冲激光光源输出的激光经过激发光滤色片后由反射镜反射进入聚焦物镜的入瞳并聚焦在被测二维材料非线性光纤样品的一端纤芯处，白光照明光源发出的光经过第一分光镜反射后由聚焦物镜聚焦并照亮被测二维材料非线性光纤样品的一端，被测二维材料非线性光纤样品的一端反射的光依次经过第一分光镜、第二分光镜和第一透镜成像在成像相机上，被测二维材料非线性光纤样品产生的非线性信号从被测二维材料非线性光纤样品的另一端出射并依次经过收集物镜、信号光滤色片和第二透镜进入光谱仪中，得到非线性信号强度。
本发明还提供一种二维材料非线性光纤的测试方法，所述测试方法包括以下步骤：
1)激发光源输出的脉冲激发光经过物镜聚焦到二维材料非线性光纤的一端；二维材料非线性光纤放置在可调样品平台上，产生的非线性信号光通过透射式信号收集系统进入光谱仪，得到非线性信号的强度值；
2)通过额外的反射式白光照明成像系统观察纤芯和聚焦光斑位置，保证脉冲激光聚焦到二维材料非线性光纤的纤芯中；
3)通过脉冲激光波长的改变测试不同波长下二维材料非线性光纤的非线性信号。
优选的是，所述脉冲激光的波长为1500-2500纳米且可调谐。
优选的是，所述激发光进入物镜前经过激发滤色片滤除所需波长之外的杂散光；
优选的是，所述非线性信号光进入光谱仪前经过信号光滤色片滤除激发光，仅让信号光进入光谱仪。
本发明的优点：
1)二维材料通过直接生长的方式实现和光纤的集成，其二维材料薄膜具有高的质量和可重复性，可以实现二维材料非线性光纤的高性能和批量制备；
2)二维材料的多样性和光纤结构的丰富性提供了不同非线性需求的可选择性；
3)二维材料非线性光纤具有优良的全光纤集成能力，可广泛应用于光纤通信、频率转换和脉冲激光产生等领域。
附图说明
图1为本发明所述的二维材料非线性单孔光纤谐波产生的示意图；
图2为本发明所述的二维材料非线性光纤的剖面示意图；(a)为实心蜂窝状光子晶体光纤，(b)为空心蜂窝状结构光子晶体光纤，(c)为单孔光纤，(d)为D型侧剖光纤；
图3为本发明所述的二维材料非线性光纤的非线性信号测试装置的示意图；
图4为本发明所述的单层二硫化钼非线性单孔光纤的二次和三次谐波和平面上单层二硫化钼非线性信号的对比图；(a)为二次谐波信号对比图，(b)为三次谐波信号对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
实施例1：
图1所示为二维材料非线性单孔光纤谐波产生的示意图，所述光纤101内部具有沿光纤轴向贯穿光纤两端的空气孔，空气孔内部表面上设置有单层或多层二维材料薄膜102，入射激光为脉冲激光，频率为ω，产生二次和三次谐波的频率分别为2ω和3ω。
在空气孔内部表面实现二维材料薄膜直接生长的方法可以是化学气相沉积法，但不限于此，可以推广到其他适合的方法。以二硫化钼非线性光纤为例，但不限于此，可以推广到其他合适的二维材料非线性光纤。
利用化学气相沉积法生长二硫化钼薄膜的方法一般包括如下步骤：
1)将采用钼酸钠溶液浸润处理后的光纤和硫粉末放置于化学气相沉积反应炉中，通入惰性气体作为载气和保护气，维持管内压强至100-300Pa；
2)控制光纤区域升温至60-150℃后，低压干燥20-60分钟，然后升温至750-850℃，此时硫粉末控制在120-150℃，开始进入生长阶段，生长时间为10-60分钟，生长结束后，关闭加热电源，得到二硫化钼非线性光纤；
3)通过改变处理光纤的钼酸钠溶液浓度可以控制光纤壁二硫化钼薄膜厚度。
其中，所述光纤放置于所述化学气相沉积反应炉的高温区，所述硫粉末放置于所述化学气相沉积反应炉的低温区，所述高温区与所述低温区间隔一定距离，沿惰性气体流动的方向依次设置所述低温区和所述高温区，如此可使低温区的硫粉末蒸发后顺着载气进入到高温区以实现与钼源的化学反应。
其中，步骤1中对光纤采用钼酸钠溶液浸润处理可以将钼源均匀地涂覆到光纤的各个表面，从而使得制备得到的光纤壁上均匀覆盖着二硫化钼薄膜。
其中，所述惰性气体包括Ar或N2。
在本发明中，二维材料通过直接生长的方式实现和光纤的集成，其二维材料薄膜具有高的质量和可重复性，可以实现二维材料非线性光纤的高性能和批量制备。
实施例2：
图2为二维材料非线性光纤的剖面示意图。其中，对于实心蜂窝状光子晶体光纤而言，光纤的主体中具有多层沿轴向均匀分布的多个尺寸相同的空气孔，而纤芯为固态，如图2(a) 所示。对于空心蜂窝状结构光子晶体光纤而言，纤芯位置为一个中心空气孔，中心空气孔的轴心与光纤主体的轴心重合，在中心空气孔的周围具有多层沿轴向均匀分布的多个尺寸相同的空气孔，这些空气孔的内径较中心空气孔的内径小，如图2(b)所示。对于单孔光纤而言，在光纤主体的中心具有一个中心空气孔，在光纤主体无其他空气孔，如图2(c)所示。在上述光子晶体光纤和单孔光纤中，所有空气孔表面均覆盖一个连续的二维材料薄膜，且薄膜厚度可控。对于D型侧剖光纤，需从一侧通过研磨方式剖去光纤包层，而二维材料薄膜覆盖在剖面上，如图2(d)所示。上述二维材料非线性光纤结构仅仅作为常见结构，但不限于此，可延伸到所有不同结构的光纤。二维材料薄膜直接生长在单孔光纤和光子晶体光纤的孔内壁或者D型侧剖光纤的外剖面上，具体的方法可以是化学气相沉积，或者其他合适的方法，例如化学气相传输、物理气相沉积等，但不限于此，可以延伸到其他生长方法。
实施例3：
如图3所示，二维材料非线性光纤的非线性信号测试装置的包括：脉冲激光光源1、激发光滤色片2、反射镜3、聚焦物镜4、被测二维材料非线性光纤样品5、白光照明光源6、第一分光镜7、第二分光镜8、第一透镜9、成像相机10、收集物镜11、信号光滤色片12、第二透镜13、光谱仪14；其中，脉冲激光光源1的输出的激光经过激发光滤色片2后由反射镜3反射进入聚焦物镜4的入瞳并聚焦在被测二维材料非线性光纤样品5的一端纤芯处，白光照明光源6发出的光经过第一分光镜7的反射后由聚焦物镜4聚焦并照亮被测二维材料非线性光纤样品5的一端，被测二维材料非线性光纤样品5的一端反射的光依次经过第一分光镜7、第二分光镜8和第一透镜9成像在成像相机10上，被测二维材料非线性光纤样品5产生的非线性信号从被测二维材料非线性光纤样品5的另一端出射并依次经过收集物镜11、信号光滤色片12和第二透镜13进入光谱仪14中，得到非线性信号强度。其中，所述被测二维材料非线性光纤样品5为实施例1或实施例2所制备的光纤。
在本实施例中，脉冲激光光源1波长为1500-2500纳米且可调谐，激发光滤色片2仅让脉冲激光光源1需要的波长通过，滤除其余波长，聚焦物镜4和收集物镜11均为10倍物镜(数值孔径为0.25)，被测二维材料非线性光纤样品5为单层二硫化钼非线性光纤或熔融石英上的单层二硫化钼样品，信号光滤色片12用来滤除激发的脉冲激光，同时透过被测样品产生的非线性信号，成像相机10位于第一透镜9的焦平面位置，光谱仪14位于第二透镜13的焦平面位置。通过调节第一分光镜7将白光照明光源6产生的照明白光聚焦在被测二维材料非线性光纤样品5一端的纤芯区域，保证纤芯区域清晰成像，用来辅助调节脉冲激光光源1产生的脉冲激光准确聚焦进入被测二维材料非线性光纤样品5一端的纤芯。
图4是25厘米单层二硫化钼非线性单孔光纤的二次和三次谐波和平面上单层二硫化钼非线性信号的对比图。相比于平面上单层二硫化钼二次谐波信号，本发明所述的单层二硫化钼非线性单孔光纤的二次谐波信号提高了300倍；相比于平面上单层二硫化钼三次谐波信号，本发明所述的单层二硫化钼非线性单孔光纤的三次谐波信号提高了330倍。可见，将制备的二维材料非线性光纤相比于传统平面上的二维材料样品，其非线性信号具有显著的提高。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种基于二维材料的非线性光纤，其特征在于，在所述光纤的至少部分表面上覆盖有二维材料薄膜；
其中，所述二维材料薄膜通过直接生长的方法覆盖在所述光纤的至少部分表面上。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述直接生长的方法包括但不限于化学气相沉积、化学气相传输或物理气相沉积；
优选的是，所述直接生长的方法包括化学气相沉积；
优选的是，所述直接生长的方法包括如下步骤：
步骤一、将采用钼酸钠溶液浸润处理后的光纤和硫粉末放置于化学气相沉积反应炉中，通入惰性气体作为载气和保护气，维持管内压强至100-300 Pa；
步骤二、控制光纤区域升温至60-150℃后，低压干燥20-60分钟，然后升温至750-850℃，此时硫粉末控制在120-150℃，开始进入生长阶段，生长时间为10-60分钟，生长结束后，关闭加热电源，得到二硫化钼非线性光纤；
优选的是，所述光纤放置于所述化学气相沉积反应炉的高温区，所述硫粉末放置于所述化学气相沉积反应炉的低温区，沿惰性气体流动的方向依次设置所述低温区和所述高温区且所述高温区与所述低温区间隔一定距离；
优选的是，所述二硫化钼非线性光纤的二次谐波信号相比于平面上单层二硫化钼二次谐波信号提高了300倍，所述二硫化钼非线性光纤的三次谐波信号相比于平面上单层二硫化钼三次谐波信号提高了330倍。
3.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤包括但不限于D型光纤、单孔光纤或多孔光子晶体光纤；
优选的是，所述光纤的纤芯为空芯或实芯；
所述的二维材料包括但不限于石墨烯、过渡金属硫族化合物、过渡金属碳化物、过渡金属氮化物、黑磷或二维半导体材料；
优选的是，所述二维材料薄膜覆盖在带孔光纤孔的内壁和/或光纤表面，或者所述二维材料薄膜覆盖在D型光纤的接近纤芯的侧剖面部分；
优选的是，所述二维材料薄膜的厚度为1-20层。
4.一种基于二维材料的非线性光纤的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
提供一根光纤；
在所述光纤的至少部分表面上覆盖二维材料薄膜；
其中，所述二维材料薄膜通过直接生长的方法覆盖在所述光纤的至少部分表面上。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述直接生长的方法包括但不限于化学气相沉积、化学气相传输或物理气相沉积；
优选的是，所述直接生长的方法包括化学气相沉积；
优选的是，所述直接生长的方法包括如下步骤：
步骤一、将采用钼酸钠溶液浸润处理后的光纤和硫粉末放置于化学气相沉积反应炉中，通入惰性气体作为载气和保护气，维持管内压强至100-300 Pa；
步骤二、控制光纤区域升温至60-150℃后，低压干燥20-60分钟，然后升温至750-850℃，此时硫粉末控制在120-150℃，开始进入生长阶段，生长时间为10-60分钟，生长结束后，关闭加热电源，得到二硫化钼非线性光纤；
优选的是，所述光纤放置于所述化学气相沉积反应炉的高温区，所述硫粉末放置于所述化学气相沉积反应炉的低温区，沿惰性气体流动的方向依次设置所述低温区和所述高温区且所述高温区与所述低温区间隔一定距离；
优选的是，所述二硫化钼非线性光纤的二次谐波信号相比于平面上单层二硫化钼二次谐波信号提高了300倍，所述二硫化钼非线性光纤的三次谐波信号相比于平面上单层二硫化钼三次谐波信号提高了330倍。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述光纤包括但不限于D型光纤、单孔光纤或多孔光子晶体光纤；
优选的是，所述光纤的纤芯为空芯或实芯；
所述的二维材料包括但不限于石墨烯、过渡金属硫族化合物、过渡金属碳化物、过渡金属氮化物、黑磷或二维半导体材料；
优选的是，所述二维材料薄膜覆盖在带孔光纤孔的内壁和/或光纤表面，或者所述二维材料薄膜覆盖在D型光纤的接近纤芯的侧剖面部分；
优选的是，所述二维材料薄膜的厚度为1-20层。
7.一种二维材料非线性光纤的非线性信号测试装置，其特征在于，所述装置包括：脉冲激光光源、激发光滤色片、反射镜、聚焦物镜、白光照明光源、第一分光镜、第二分光镜、第一透镜、成像相机、收集物镜、信号光滤色片、第二透镜、光谱仪；被测二维材料非线性光纤样品放置于聚焦物镜和收集物镜之间；
其中，脉冲激光光源输出的激光经过激发光滤色片后由反射镜反射进入聚焦物镜的入瞳并聚焦在被测二维材料非线性光纤样品的一端纤芯处，白光照明光源发出的光经过第一分光镜反射后由聚焦物镜聚焦并照亮被测二维材料非线性光纤样品的一端，被测二维材料非线性光纤样品的一端反射的光依次经过第一分光镜、第二分光镜和第一透镜成像在成像相机上，被测二维材料非线性光纤样品产生的非线性信号从被测二维材料非线性光纤样品的另一端出射并依次经过收集物镜、信号光滤色片和第二透镜进入光谱仪中，得到非线性信号强度。
8.一种二维材料非线性光纤的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：
1）激发光源输出的脉冲激发光经过物镜聚焦到二维材料非线性光纤的一端；二维材料非线性光纤放置在可调样品平台上，产生的非线性信号光通过透射式信号收集系统进入光谱仪，得到非线性信号的强度值；
2）通过额外的反射式白光照明成像系统观察纤芯和聚焦光斑位置，保证脉冲激光聚焦到二维材料非线性光纤的纤芯中；
3）通过脉冲激光波长的改变测试不同波长下二维材料非线性光纤的非线性信号。
9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，所述脉冲激光的波长为1500-2500纳米且可调谐。
10.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，所述激发光进入物镜前经过激发滤色片滤除所需波长之外的杂散光；
优选的是，所述非线性信号光进入光谱仪前经过信号光滤色片滤除激发光，仅让信号光进入光谱仪。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010299998.5A CN113534329A (zh) | 2020-04-16 | 2020-04-16 | 一种基于二维材料的非线性光纤及测试方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010299998.5A CN113534329A (zh) | 2020-04-16 | 2020-04-16 | 一种基于二维材料的非线性光纤及测试方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113534329A true CN113534329A (zh) | 2021-10-22 |
Family
ID=78088386
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010299998.5A Pending CN113534329A (zh) | 2020-04-16 | 2020-04-16 | 一种基于二维材料的非线性光纤及测试方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113534329A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004118124A (ja) * | 2002-09-27 | 2004-04-15 | Yamaha Corp | ２次元光ファイバホルダとその製法 |
| CN101717203A (zh) * | 2009-12-15 | 2010-06-02 | 清华大学 | 一种光诱导石墨烯沉积到光纤端面的方法 |
| CN110510865A (zh) * | 2019-08-29 | 2019-11-29 | 上海理工大学 | 一种在微纳光纤表面制备的单层二维材料及其光活化方法 |
| CN110554455A (zh) * | 2019-08-21 | 2019-12-10 | 北京大学 | 一种快速制备过渡金属硫族化合物复合光纤材料的方法 |
-
2020
- 2020-04-16 CN CN202010299998.5A patent/CN113534329A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004118124A (ja) * | 2002-09-27 | 2004-04-15 | Yamaha Corp | ２次元光ファイバホルダとその製法 |
| CN101717203A (zh) * | 2009-12-15 | 2010-06-02 | 清华大学 | 一种光诱导石墨烯沉积到光纤端面的方法 |
| CN110554455A (zh) * | 2019-08-21 | 2019-12-10 | 北京大学 | 一种快速制备过渡金属硫族化合物复合光纤材料的方法 |
| CN110510865A (zh) * | 2019-08-29 | 2019-11-29 | 上海理工大学 | 一种在微纳光纤表面制备的单层二维材料及其光活化方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 黄义忠 等: "基于新型二维材料的可见光至中红外短脉冲光纤激光器的研究", 《厦门大学学报(自然科学版)》 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Alexander Schmidt et al. | Hybrid optical fibers–an innovative platform for in‐fiber photonic devices | |
| Kalashnikov et al. | Quantum spectroscopy of plasmonic nanostructures | |
| US9153933B2 (en) | Ti: sapphire crystal fiber, manufacturing method thereof, and wide band light source using the same | |
| CN105987895B (zh) | 一种激光拉曼光谱气体分析仪 | |
| Raza et al. | ALD assisted nanoplasmonic slot waveguide for on-chip enhanced Raman spectroscopy | |
| JP2004177817A (ja) | 光ファイバおよび光モジュール | |
| CN1894872A (zh) | 全光信号处理方法和设备 | |
| CN105445226B (zh) | 一种观测一维纳米材料的方法及装置 | |
| CN113454441A (zh) | 基于激光的原位排气传感器 | |
| CN105403538B (zh) | 一种测量碳纳米管手性的方法及装置 | |
| CN116026790A (zh) | 一种基于连续域束缚态亚波长光栅跑道型谐振腔的传感器 | |
| TW201912563A (zh) | 一種一維奈米材料的觀測方法 | |
| CN112241047A (zh) | 基于片上集成龙柏透镜的超宽带模斑转换器 | |
| CN105445227B (zh) | 一种观测一维纳米材料的方法及装置 | |
| Madani et al. | Luminescent nanoparticles embedded in TiO 2 microtube cavities for the activation of whispering-gallery-modes extending from the visible to the near infrared | |
| Kocer et al. | Thermally tuning infrared light scattering using planar layered thin films and space gradient metasurface | |
| Liu et al. | Silicon nitride waveguides with directly grown WS 2 for efficient second-harmonic generation | |
| Mohammadi et al. | Exploring refractive index ultra compact nano sensor using photonic crystal resonant cavities | |
| CN113534329A (zh) | 一种基于二维材料的非线性光纤及测试方法 | |
| Wang et al. | Modification and resonance tuning of optical microcavities by atomic layer deposition | |
| TWI600931B (zh) | 應用摻鈦藍寶石晶體光纖之寬頻光源裝置 | |
| Zhou et al. | Fabrication of Fresnel zone plate in chalcogenide glass and fiber end with femtosecond laser direct writing | |
| CN101915963B (zh) | 多重嵌入式微型谐振腔滤波器 | |
| JP4778616B2 (ja) | 準波長域の開口を備えたレンズを有する光ファイバ及び独特のマイクロピペット | |
| CN105988153A (zh) | 一种在锥形光纤上制备切趾相移光栅的装置及其方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211022 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |