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二维层状硒化锗与硫化锗材料的三阶非线性光学特性研究

唐杰  
【摘要】:全光信号处理器件是全光通信网络中的基础光学器件,在未来全光网络的搭建中至关重要。而其中材料的非线性光学则是全光信号处理器件的重要物理基础,例如,两种典型的“以光控光”的全光处理器件全光阈值器和全光波长转化器,便是分别基于材料的三阶非线性光学吸收特性和材料的四波混频(即三阶非线性光学折射率)。近年来,各种新型二维材料的发掘及其显著非线性光学特性的探索应用,为全光器件的发展与微型集成化的实现提供了可能。尤其是,表现出来卓越的三阶非线性吸收率或者非线性折射率的二维材料,在全光信号处理中有着非常高的应用和需求。故对于三阶非线性材料的寻找和制备一直是非线性光学研究的一个重点。为此,本文对二维层状硒化锗与硫化锗材料的三阶非线性光学进行了系统的研究。在本文中,我们通过使用液相剥离的方法制备出少层的硒化锗纳米片,并对其进行了吸收、形貌等基础性能表征。通过开孔Z-scan技术测量其在飞秒400nm、800nm、1064nm波段下的吸收特性,结果表明:硒化锗纳米片在可见到近红外波段在具有明显的宽带饱和吸收特性。为进一步确定入射光束的脉冲宽度对其饱和吸收特性的影响,我们在1064nm波段下使用的三种不同脉宽的激光光源(分别为7ns,10ps,56fs)作为测量的激发光源。其结果表明在不同脉宽的光源的激发下,测得的样品非线性吸收系数的大小具有明显的脉宽依赖性。实验研究了硒化锗纳米片的超快载流子动力学。通过对实验数据的拟合计算得知在800、871、1064和1100 nm不同波长下的快弛豫时间和慢弛豫时间分别为寿命约0.54-1.08 ps和52.4-167.2 ps。硒化锗纳米片具有显著的超快非线性光学特性,这意味着它们在纳米光子器件的发展中具有巨大的潜力。为证明了GeSe NPs的可饱和吸收行为可以用来制造一个具有与电子二极管的电流非互易传输相类似的光子二极管。为演示其效果,我们利用GeSe/C60双层结构设计和制造了一种与电子二极管相类似的实现光的非互易性传输的全光二极管。本文通过将块状的GeS晶体溶于乙醇溶剂并使用液相剥离的方法制备出GeS纳米片分散液,并通过开孔Z-scan技术研究了GeS在飞秒400nm,800nm波段的非线性吸收特性。表征了其在可见光到近红外波段的宽带饱和吸收特性。并使用了SSPM技术测量了GeS的非线性折射率n_2~10~(-6) cm~2/W。


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