一种基于二维材料的非线性光纤及测试方法

1.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：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.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。
5.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；
6.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。
7.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；
8.优选的是，所述直接生长的方法包括化学气相沉积；
9.优选的是，所述直接生长的方法包括如下步骤：
10.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；
11.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；
12.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；
13.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。
14.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；
15.优选的是，所述光纤的纤芯为空芯或实芯；
16.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；
17.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；
18.优选的是，所述二维材料薄膜的厚度为1-20层。
19.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：
20.提供一根光纤；
21.在所述光纤的至少部分表面上覆盖二维材料薄膜；
22.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。
23.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；
24.优选的是，所述直接生长的方法包括化学气相沉积；
25.优选的是，所述直接生长的方法包括如下步骤：
26.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；
27.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；
28.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；
29.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。
30.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；
31.优选的是，所述光纤的纤芯为空芯或实芯；
32.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；
33.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；
34.优选的是，所述二维材料薄膜的厚度为1-20层。
35.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；
36.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。
37.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：
38.1)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；
39.2)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；
40.3)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。
41.优选的是，所述脉冲激光的波长为1500-2500纳米且可调谐。
42.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；
43.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。
44.本发明的优点：
45.1)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；
46.2)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；
47.3)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
48.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；
49.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；
50.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；
51.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
52.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。
53.实施例1：
54.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。
55.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。
56.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：
57.1)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；
58.2)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；
59.3)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。
60.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。
61.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。
62.其中，所述惰性气体包括ar或n2。
63.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。
64.实施例2：
65.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。
66.实施例3：
67.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。
68.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。
69.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。
70.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。