Laser & Photonics Reviews | 基于半金属MoP微粒空间自相位调制的全光开关

文摘   科学   2025-01-22 17:45   江苏  


欢迎课题组投递中文宣传稿,投稿方式见文末


导读

近日,东南大学电子科学与工程学院顾兵、徐春祥团队,基于拓扑半金属MoP微米球开展了创新性研究,首次研究了其三阶非线性光学效应,表征了其非线性折射率和成环时间,并分析了空间自相位调制自衍射环的形成机理。此外,利用MoP微粒优越的非线性光学响应,演示了全光开关的性能。相关研究成果以“Spatially Asymmetric Optical Propagation and All-Optical Switching Based on Spatial Self-Phase Modulation of Semimetal MoP Microparticles”为题,于2025117日在线发表于光学领域权威期刊《Laser Photonics Reviews》。东南大学电子科学与工程学院硕士研究生翁丹仪为论文的第一作者,顾兵教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金的支持。

研究背景

随着对高性能无源非线性光子器件的需求不断增加,近年来基于不同维度材料的空间自相位调制(SSPM)得到了研究,如零维量子点、一维纳米管、二维纳米片、三维量子材料,同时,基于SSPM的光子器件如全光开关、逻辑门和光子二极管等取得了重大进展。然而,提高光子器件的响应能力仍然存在挑战。

已有研究证实了在晶体MoP的电子结构中存在一个独特的三重简并点,这种半金属MoP的能带拓扑结构可能导致新的线性和非线性光学现象。同时,研究人员利用静态和时间分辨二次谐波产生技术研究了半金属MoP的非线性光学特性,得到了一个巨大的二阶非线性光学响应。然而,迄今为止,还没有关于拓扑半金属MoP材料的三阶非线性光学效应的报道,这可能会阻碍其在非线性光学中的广泛应用。

研究亮点

在我们的研究工作中,通过充分利用MoP的非线性光学特性,展示了基于半金属MoP微粒的空间自相位调制现象。如图1SEM图像所示,本工作中的MoP微米球,平均粒径尺寸为2.36±0.08 μm

1 MoP微粒的表征图。

为了获得MoP微粒优异的SSPM现象,我们研究了自衍射环成像质量的影响因素,并观察了自衍射环图样的坍缩现象,随着激光作用于样品后的时间延迟的增加,自衍射环逐渐由圆形斑点演变为同心多环结构,同时环半径增大,环数增多。随后,在重力诱导热对流的影响下,分散液下半部的MoP色散密度高于上半部,结果,上半部分MoP色散的非线性折射率n2降低,导致完整的自衍射环上半部分向中心坍缩,最终趋于稳定。

2 自衍射环图样的形成动力学。

在此基础上,我们在不同的日子中对于相同的样本重复SSPM实验。正如预期的那样,样品的非线性光学性能在储存两个多月后,尽管略有下降,但总体上保持稳定,这证明了本研究材料具有优异的稳定性和抗光降解性能。

3 样品放置不同天数后的SSPM实验结果。

利用MoP微粒优异的SSPM现象,我们演示了MoP/紫磷(VP) 级联样品的空间不对称光传播性能,其原理便是将两个具有明显不同非线性折射率的样品构建为一个级联样品,当激光束从正向和反向穿过级联样品时,激发自衍射的环数和形成时间都有显著差异。

4 级联样品中自衍射环形成的动力学。

利用MoP微粒优越的空穴相干性,我们设计了如图5所示的非简并全光开关,在532 nm强控制光束的照射下,MoP微粒中出现激光诱导的空穴相干,然后由控制光束的光子产生的自由载流子衍射671 nm弱信号光束的光子,从而实现开关的“on”“off”功能。

5 非简并全光开关的性能演示。

总结与展望

通过充分利用半金属MoP的非线性光学性质,本研究首次报道了基于MoP微粒的空间自相位调制现象,并分析了自衍射环的形成机理。此外,利用MoP微粒优越的空穴相干性,进行了光的非互易传播和非简并全光开关的性能演示。研究结果有利于丰富新型半金属材料的三阶非线性光学特性研究,有利于加深对空穴微纳米材料光学非线性机理的认识,有利于基于SSPM的磷基半金属材料的无源非线性光子器件的发展,为未来光子器件的集成打下了基础。

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202401587
                        供稿:课题组
免责声明:本文旨在传递更多科研资讯及分享,所有其他媒、网来源均注明出处,如涉及版权问题,请作者第一时间后台联系,我们将协调进行处理,所有来稿文责自负,两江仅作分享平台。转载请注明出处,如原创内容转载需授权,请联系下方微信号。

两江科技评论
聚焦“光声力热”超构材料、凝聚态物理、生物医学、智能制造等领域,打造科研人便捷的交流平台,发布优质新鲜的科研资讯。
 最新文章