Z-scan测量系统开发与二维材料非线性光学特性测量

发布时间：2020-08-02 05:00

【摘要】：随着科技的进步,在超快激光和光通信技术需求的驱动下,寻找出独特的新型的二维材料显得尤为重要。为找出同时具有更大的非线性吸收系数与非线性折射率以及更高的调制深度的二维材料,非线性光学测量系统Z-scan被广泛使用。作为二维材料中的重要成员——黑磷,是现阶段研究的热门对象,黑磷具有随着层数变化的能带,从单层到多层都保持着直接带隙结构,因此它是优秀的锁模或调Q等光电器件。为找出与黑磷在某些方面不同的材料,并对这些材料进行研究。传统的Z-scan测量系统已经不能满足我们对不同形态材料的测试条件的多样化要求,为满足测试条件设计出新颖的功能多样化的适应性强的测量系统显得尤为迫切。本论文结合二维材料测试要求,设计了三套测量系统,通过黑磷、二硫化碳等不同形态材料验证了系统的稳定性和准确性,并利用该系统揭示了硒掺杂黑磷和锑纳米片与众不同的非线性光学特性。具体研究成果总结如下:1.搭建了非线性光学测量平台,这个过程分为实验硬件系统搭建和测量软件系统设计。Z-scan技术是一种基于分析单光束透过率的非线性光学测量方法。为了更快更准确地得到样品的非线性性质,我们设计了一种改进的Z-scan测量光路,并基于Lab VIEW编写了三套测量软件,分别用于双通道Z-scan测量,三通道Z-scan测量和P-scan(Power Scan)测量。P-scan测量软件对于不同形态的材料而言,结果更加可靠,同时反过来也应证了Z-scan测量系统的准确性。2.硒掺杂黑磷和锑纳米片超快非线性响应研究。利用液相剥离技术,我们成功地制备了含有大量硒掺杂黑磷的纳米片,利用双通道Z-scan测量系统和P-scan测量系统研究了其分散液的超快非线性响应。在800nm飞秒激光的辐照下,测试了硒掺杂黑磷的三阶非线性虚部特性和饱和强度。结果表明了硒掺杂黑磷比黑磷更容易饱和,而调制深度却并没有下降。利用溶剂热法制备了锑纳米片,我们对其分散液进行了微观结构表征和光谱分析,证实了锑在其乙醇溶液中实现了高质量分散,在飞秒激光辐照下,我们利用了三通道Z-scan系统同时测量了锑纳米片的三阶非线性实部和虚部,并利用P-scan系统得到了其饱和强度。借助OPA得到了锑纳米片在1500 nm激光辐照下的三阶非线性系数和饱和强度。结果表明锑烯也是非常优异的宽带可饱和吸收材料,为基于锑烯的锁模激光器提供了实验依据。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O437;TB302
【图文】：

四波混频,双光子吸收

Z-scan 测量系统开发与二维材料非线性光学特性测量四波混频是在介质中四束光波发生相互作用所引起的一种三阶非线性光学现象。介质的三阶非线性极化是产生四波混频的来源。最普通的四波混频现象如图 1.1 所示。常规的四波混频现象是入射介质材料的是三束不同频率的激光，得到的信号光是第四种不同频率的光，如图 1.1-(a)所示。第二种四波混频是第一种四波混频中的特殊情况，即相当于将信号光 E3增益放大。第三种是和二阶非线性光学效应中的参量放大过程类似的后向参量放大过程，二阶参量放大过程是由单光束泵浦，而后向参量放大过程是由两个强泵浦光产生被分别被称为信号光和闲频光的放大的两束光。

示意图,实验装置,示意图,二维材料

Z-scan 测量系统开发与二维材料非线性光学特性测量射过的光进入第二个分束镜BS，分束后经过第二个BS反射的光进入到D2探头，作为开孔光信号，另一束光经过 BS 透射后再经过光阑（ID8，Thorlabs）后，进入到 D3 探头，作为闭孔信号光。在典型的简易 Z-scan 中，为了提高 Z-scan 数据的准确性，我们在实际采样的过程中采用了电动平移台，利用 LabVIEW 开发了 Z-scan 软件，通过软件进行实时采样。

接线图,功率计,接线图

2.1 实际实验中 Z-scan 实验装置示意图。其中 BS 为分束镜（beam splitter），D1，D23 同为光功率探头，测到的光信号分别为参考光，开孔光，闭孔光。样品在透镜聚焦点着 Z 轴左右移动。本系统中实际电动平移台与光功率计之间连线方式如图 2.2 所示的实际，电动平移台通过单轴运动控制器（SMC100CC，Newport）连接，再通过 U式连接到电脑（PC）上。参考光探头通过双通道功率计 1（2936-R，Newp USB 方式连接到电脑。开孔信号光探头和鼻孔信号光探头同时连接在另一通道功率计 2（2936-R，Newport），然后再以 USB 方式连接到电脑。在电通过 LabVIEW 软件连接并控制运动控制器和两台功率计。

【参考文献】