一种硒化镓掺杂聚合物微纳光纤波导实现二阶非线性的方法技术

本发明专利技术涉及一种高二阶非线性层状纳米材料掺杂聚合物微纳光纤及制备以及实现二阶非线性的结构。采用硒化镓掺杂聚合物制备微纳光纤，通过聚合物微纳光纤引导的高质量传输模式与内部掺杂的高非线性硒化镓纳米片相互作用，激发高效的二次谐波以及和频非线性过程。通过控制聚合物微纳光纤的直径和长度来调控混合波导色散，满足泵浦光与倍频、和频信号之间最佳的相位匹配条件。硒化镓掺杂聚合物微纳光纤的制备长度通常可拉伸至几十厘米甚至更长，并且均匀性能保持一致，光纤整体成型质量较好。此外，聚乙烯醇聚合物材料具有较高的机械强度，可适用于高强度复杂的实验环境，有利于实现高度集成化、响应快、高灵敏度、可操纵的功能化微纳光学器件。化微纳光学器件。化微纳光学器件。

【技术实现步骤摘要】
一种硒化镓掺杂聚合物微纳光纤波导实现二阶非线性的方法


[0001]本专利技术属于非线性微纳光纤光学领域以及二阶非线性频率转换过程，涉及一种高二阶非线性层状纳米材料掺杂聚合物微纳光纤的制备方法以及实现二阶非线性过程的结构。

技术介绍

[0002]二阶非线性光学响应过程，例如二次谐波以及和频，在新光源产生、超快激光、成像检测、生化传感等领域发挥着巨大的作用。二阶非线性光学效应通常产生于非中心反演对称性材料中，目前二阶非线性极化率较高的铌酸锂(LiNbO3)、偏硼酸钡(BBO)、三硼酸锂(LBO)、磷酸氧钛钾(KTP)以及磷酸二氢钾(KDP)等倍频晶体在实现空间光二阶非线性效应过程中应用十分广泛。然而传统光纤为熔融二氧化硅材质，具有典型的中心反演对称性，因此先后出现了多种技术手段期望在传统二氧化硅光纤中实现高强度、低损耗、易收集的二阶非线性信号。最早出现的光极化、热极化、电场极化等技术通过打破光纤材料的中心反演对称性来增强传统光纤的二阶非线性效应，但其几百摄氏度的高温条件、高至千伏的极化电压或者严苛复杂的工艺过程等问题限制了相关技术的应用发展。近年来，层状结构二维材料由于其优异的电、光学性能已经在片上光电子器件的非线性过程中显示出巨大的自身优势，因此光纤集成非线性二维材料是一种实现内部二阶非线性的新型解决方案。相较于空间光直接作用于层状二维材料，借助光纤的高质量波导模式与高二阶非线性极化率材料的相互作用，与此同时增加光与物质相互作用的长度，光纤集成材料方案最终能够实现高效、易操控的倍频以及和频等频率转化过程。
[0003]目前，研究人员已经通过微纳光纤、光子晶体光纤以及空芯光纤等材料集成技术实现了有效的频率转换，但现有方案存在可重复性差、转化效率低、制备过程复杂等诸多问题。常见的一维材料银(Ag)、氧化锌(ZnO)、硫化镉(CdS)和偏硼酸钡(BBO)等纳米线具有较强的二阶非线性，其尺寸小、光约束能力强、强倏逝场等优点使其在纳米光学领域发挥重要的作用。材料集成的微纳光纤不仅具有与非线性纳米线相似的功能结构，而且与之相比，光纤具有良好的兼容性和可操控性，并且光与物质的相互作用距离会增加到原来的几十倍，这为微型化光纤光学和光电子集成器件提供了重要的思路。与石英基微纳光纤相比，聚合物微纳光纤可以作为荧光染料、金属氧化物或生物酶等不同掺杂物质的载体，这些掺杂的物质可用于实现功能化的聚合物微纳光纤；另外，聚合物微纳光纤的优异兼容性使其掺杂过程成本低廉、工艺简单，容易实现。除此之外，聚合物材料具有高机械强度以及生物相容性，这使得功能化掺杂的聚合物微纳光纤在复杂的系统环境中的应用成为可能。

技术实现思路

[0004]要解决的技术问题
[0005]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种高二阶非线性层状纳米材料掺杂聚合物微纳光纤的制备方法以及实现二阶非线性过程的结构，通过在聚合物微纳光纤的波
导中掺入高二阶非线性系数的硒化镓纳米片，实现二阶非线性过程的产生，如激发二次谐波(或倍频)、和频等信号。
[0006]技术方案
[0007]本专利技术的思想在于：将聚合物粉末颗粒与其溶剂均匀混合配制成聚合物溶液，利用聚合物材料自身的兼容性，再将具有高二阶非线性系数的层状硒化镓纳米片分散液与聚合物溶液均匀混合后，配制成硒化镓掺杂聚合物溶液。取出部分硒化镓掺杂聚合物溶液接触空气自然放置，液滴微凝固后利用针尖状物体蘸取溶液，通过简单的物理拉伸技术就可制备出微米或纳米尺寸的聚合物微纳光纤。泵浦光通过锥形单模光纤输入聚合物微纳光纤，聚合物微纳光纤引导的高质量波导与掺杂的硒化镓纳米片发生强烈的相互作用实现倍频及和频非线性过程，激发的倍频及和频信号继续沿着聚合物光纤波导方向传输，最终由另一锥形单模光纤耦合收集测试。
[0008]技术方案为：
[0009]一种高二阶非线性层状纳米材料掺杂聚合物微纳光纤，其特征在于包括高二阶非线性层状纳米材料与聚合物粉末原料，高二阶非线性层状纳米材料掺杂浓度为0.1～0.4wt％。
[0010]所述高二阶非线性层状纳米材料包括但不限于为：硒化镓GaSe、硒化铟InSe、二硒化钼MoSe2、二硫化钼MoS2、二硫化钨WS2、二硒化钨WSe2其他高二阶非线性层状纳米材料。
[0011]所述硒化镓纳米片2为少层ε型硒化镓纳米片，横向尺寸大小为0.05～1μm，层数为1～10层。
[0012]一种所述高二阶非线性层状纳米材料掺杂聚合物微纳光纤的制备方法，其特征在于：
[0013]步骤1：聚乙烯醇PVA粉末1～2g，去离子水溶剂5～10mL，搅拌加热混合，温度为120～150℃，3～5h配制成聚合物溶液；
[0014]步骤2：向聚合物溶液中加入高二阶非线性层状纳米材料分散液2～4mL，混合加热搅拌15～30min，温度为70～90℃，即配制成高二阶非线性层状纳米材料掺杂聚合物溶液；
[0015]步骤3：通过物理拉伸的方法将步骤2的溶液拉伸制成高二阶非线性层状纳米材料掺杂聚合物微纳光纤；
[0016]上述组份按照每份计量。
[0017]所述搅拌转速为400～700r/min。
[0018]一种利用所述高二阶非线性层状纳米材料掺杂聚合物微纳光纤实现二阶非线性的结构，其特征包括：以氟化镁基底5为基底，将高二阶非线性层状纳米材料掺杂聚合物微纳光纤1置于氟化镁基底5上，高二阶非线性层状纳米材料掺杂聚合物微纳光纤1的两端连接锥形微纳光纤3和单模光纤4；所述高二阶非线性层状纳米材料掺杂聚合物微纳光纤1的泵浦光输入和二阶非线性信号收集通过锥形微纳光纤3耦合实现：当硒化镓掺杂聚合物微纳光纤1直径小于1nm时，采用倏逝场侧向耦合的方式；当硒化镓掺杂聚合物微纳光纤1直径3～4μm时，采用端面耦合的方式。
[0019]所述锥形微纳光纤3的直径由125μm过渡至3～4μm或500～800nm，锥形区域总长度为5～10mm。
[0020]所述高二阶非线性层状纳米材料掺杂聚合物微纳光纤1长度小于800μm。
[0021]所述高二阶非线性层状纳米材料掺杂聚合物微纳光纤1的直径3～4μm或500～800nm。
[0022]所述高二阶非线性层状纳米材料掺杂聚合物微纳光纤1采用硒化镓掺杂聚合物微纳光纤。
[0023]所述氟化镁基底5相较于硒化镓掺杂聚合物微纳光纤1和锥形微纳光纤3有较低折射率，氟化镁折射率n≈1.38。
[0024]所述的硒化镓掺杂聚合物纳米光纤1在考虑硒化镓纳米片散射强度随长度增加的情况下，应用长度一般小于800μm；硒化镓掺杂聚合物纳米光纤1的直径3～4μm或500～800nm，此时泵浦光与二次谐波之间满足最佳相位匹配条件。
[0025]有益效果
[0026]本专利技术提出的一种高二阶非线性层状纳米材料掺杂聚合物微纳光纤及制备以及实现二阶非线性的结构。采用硒化镓掺杂聚合物制备微纳光纤，通过聚合物微纳光纤引导的高质量传输模式与内部掺杂的高非线性硒化镓纳米片相互作用，激发高效的二次谐波以及和频非线性过程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高二阶非线性层状纳米材料掺杂聚合物微纳光纤，其特征在于包括高二阶非线性层状纳米材料与聚合物粉末原料，高二阶非线性层状纳米材料掺杂浓度为0.1～0.4wt％。2.根据权利要求1所述高二阶非线性层状纳米材料掺杂聚合物微纳光纤，其特征在于：所述高二阶非线性层状纳米材料包括但不限于为：硒化镓GaSe、硒化铟InSe、二硒化钼MoSe2、二硫化钼MoS2、二硫化钨WS2、二硒化钨WSe2其他高二阶非线性层状纳米材料。3.根据权利要求2所述高二阶非线性层状纳米材料掺杂聚合物微纳光纤，其特征在于：所述硒化镓纳米片2为少层ε型硒化镓纳米片，横向尺寸大小为0.05～1μm，层数为1～10层。4.一种权利要求1～3任一项所述高二阶非线性层状纳米材料掺杂聚合物微纳光纤的制备方法，其特征在于：步骤1：聚乙烯醇PVA粉末1～2g，去离子水溶剂5～10mL，搅拌加热混合，温度为120～150℃，3～5h配制成聚合物溶液；步骤2：向聚合物溶液中加入高二阶非线性层状纳米材料分散液2～4mL，混合加热搅拌15～30min，温度为70～90℃，即配制成高二阶非线性层状纳米材料掺杂聚合物溶液；步骤3：通过物理拉伸的方法将步骤2的溶液拉伸制成高二阶非线性层状纳米材料掺杂聚合物微纳光纤；上述组份按照每份计量。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜碧强，马育新，宣霄，郭雅嵩，张鹏伟，甘雪涛，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：