Полимерная композитная пленка для сверхбыстрой фотоники

Полимерные композитные пленки, особенно на основе полимеров и слоистых наноматериалов, являются привлекательными материалами для использования свойств множества материалов для применения в электронике и фотонике.

Недавно исследователи обнаружили, что композитные пленки на основе бета-оксида свинца с квантовыми точками (β-PbO QD) / полистирола (PS) демонстрируют превосходную стабильность при высокой влажности и сильный насыщающий отклик на поглощение в видимой области ближнего инфракрасного диапазона (NIR). Это делает их привлекательным материалом для практического применения в оптоэлектронных устройствах в морской среде и в других суровых условиях, таких как влажная погода.

В новом исследовании, проведенном профессором Хань Чжаном из Шеньчженьского университета в Китае и опубликованном в наномасштабе ( «Композитные пленки бета-оксидных квантовых точек (β-PbO QD) / полистирола (PS) и их применение в сверхбыстрой фотонике» ), Команда сообщает об использовании гибкой композитной пленки β-PbO QDs / PS в качестве устройства с насыщаемым поглотителем для генерации типичных импульсов с синхронизацией мод при 1060 нм, даже при погружении в воду.

КТ β-PbO изготавливали путем расслоения жидкой фазы и – методом смешивания растворов – затем хорошо распределяли в композитной пленке β-PbO QDs / PS с превосходной прозрачностью и гибкостью.

Присущая нерастворимость как КТ β-PbO, так и PS обеспечивает приготовленную композитную пленку β-PbO QDs / PS с превосходной водостойкостью (см. Вставку на рис. 1А). Примечательно, что однородная и высокопрозрачная композитная пленка β-PbO QDs / PS естественным образом уменьшает ненасыщенные потери, когда длина волны падающего лазера была сравнима с размерами дефекта.

Как было подтверждено методом лазерного Z-сканирования, композитная пленка β-PbO QDs / PS, которая хранилась более трех месяцев или погружалась в воду на один день, показала высокую способность к оптической модуляции при возбуждении мощной мощью. лазерный луч на длинах волн от 540 нм до 1060 нм (см. рис. 1).

Экспериментальные данные показали, что значение коэффициента нелинейного поглощения КТ β-PbO было на несколько порядков больше, чем у ранее описанных наноматериалов, таких как черный фосфор, черные фосфорные КТ, нанолист MoS 2 и MXene Ti 3 C 2. Т х . Кроме того, интенсивность насыщения поглощения композитной пленки β-PbO QDs / PS была близка к таковой для MoS 2 и ниже, чем для черного фосфора.

Более высокий коэффициент нелинейного поглощения и более низкая интенсивность поглощения насыщения КТ β-PbO предполагают еще одно потенциальное применение этого нелинейного оптического материала в качестве насыщаемого поглотителя для видимой и ближней инфракрасной волн.

Для дальнейшего изучения характеристик синхронизации мод исследователи внедрили насыщающий поглотитель на основе композитных пленок на основе β-PbO QDs / PS в кольцевую полость волоконного лазера на основе иттербия (YDFL).

Они успешно достигли стабильных импульсов с синхронизацией мод (см. Рис. 2B) при мощности накачки 55 мВт, что намного ниже, чем у режима синхронизации мод в YDFL на основе других насыщаемых поглотителей, таких как MoS 2 , Bi 2 Te 3 / PVA, MXene Ti 3 C 2 T x , CH 3 NH 3 PbI 3, перовскитные нанолистки и малослойный висмутин, что показывает, что было проще получить состояние синхронизации мод без высокой входной мощности.

Центральная длина волны спектра была расположена на 1062,12 нм, с шириной полосы 3 дБ 2 нм (см. Рис. 2А). На рис. 2C показана одиночная импульсная трасса с полной шириной на половине максимума 303 пс. Это привело к вычисленному произведению ширины полосы частот во времени, составляющему ~ 161,16, что позволяет предположить, что импульсы с синхронизацией мод были сильно чирпированы, что также является характеристикой диссипативных солитонов.

Фундаментальное повторение в радиочастотном спектре составляло приблизительно 4,37 МГц с высоким отношением сигнал / шум до 56 дБ, что еще раз подтверждает высокостабильное рабочее состояние с синхронизацией мод волоконного лазера (см. Рис. 2D).

Кроме того, порог повреждения – когда оптическая мощность в резонаторе составляет около 40 мВт – насыщающего поглотителя из композитной пленки β-PbO QDs / PS является относительно высоким, что позволило применять композитную пленку β-PbO QDs / PS в ситуациях с участием сильных взаимодействий света и вещества.

Чтобы измерить стабильность пленок, выходной спектр измеряли с 2-часовыми интервалами при мощности накачки 110 мВт в течение 8 часов (см. Фиг. 3В), и не наблюдали сдвига или новых компонент длины волны.

Для дальнейшего тестирования стабильности в суровых условиях насыщенный поглотитель из композитной пленки β-PbO QDs / PS погружали в воду комнатной температуры (примерно 25 ° C; см. Вставку на рис. 3D) на более чем 70 минут и выходной спектр. непрерывно контролировали каждые 10 минут в фиксированных экспериментальных условиях (см. фиг. 3C).

Соответствующий выходной спектр слегка изменился в начале, но оставался относительно стабильным в последующий период. Центральная длина волны слегка сместилась с 1062,84 до 1063,78 нм, тогда как ширина полосы 3 дБ показала небольшое возмущение от 1,52 до 1,9 нм (см. Рис. 3D), что подтверждает водостойкость и совместимость композитной пленки β-PbO QDs / PS.

Таким образом, композитная пленка β-PbO QDs / PS демонстрирует превосходные характеристики в качестве насыщающегося поглотителя для реализации стабильной работы волоконного лазера с Yb-легированным лазером с синхронизацией мод даже при высокой влажности.

Исследователи ожидают, что эта композитная пленка β-PbO QDs / PS будет полезна для исследований новых водостойких, гибких фотонных устройств на основе функциональных двумерных материалов и полимеров.