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。
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1的SEM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。
图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。
图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。
图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。
图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”和“off”功能。
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。