Dissolução

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 13689 (2015) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

O grafeno de poucas camadas sintetizado por CVD de dissolução e redução in-situ em filme catalisador de níquel ultrafino é demonstrado em temperaturas tão baixas quanto 550 °C, que podem ser empregadas para formar absorvedores saturáveis ​​do tipo transmissão ou reflexão (SA ) para bloqueio de modo dos lasers de fibra dopada com érbio (EDFLs). Com SA de grafeno do tipo transmissão, o EDFL encurta sua largura de pulso de 483 para 441 fs e amplia sua largura de linha espectral de 4,2 para 6,1 nm com o aumento da corrente de bombeamento de 200 para 900 mA. Em contraste, o tipo de reflexão SA comprime apenas a largura de pulso de 875 a 796 fs com largura de linha espectral correspondente ampliada de 2,2 a 3,3 nm. O bloqueio de modo de grafeno do tipo reflexão aumenta duas vezes de seu número de camada equivalente para causar mais perda de inserção do que o tipo de transmissão. No entanto, o sistema absorvedor saturável baseado no tipo de reflexão pode gerar um pulso estabilizado do tipo soliton mais fácil do que o sistema do tipo transmissão, porque a profundidade de modulação de auto-amplitude induzida por não linearidade é simultaneamente aumentada ao passar pelo grafeno duas vezes sob o projeto retrorrefletor .

O laser de fibra pulsada curta é a chave para explorar os fenômenos ultrarrápidos ou para desenvolver habilidades em muitos campos, incluindo biomédico1, comunicação óptica2, cirurgia a laser3, reações de materiais4. O sistema de laser de fibra de modo passivo bloqueado com arquitetura compacta e pulso de alta qualidade emergiu como o sistema mais popular entre os candidatos hoje em dia1. Para iniciar o modo de bloqueio de lasers de fibra, nanomateriais versáteis à base de carbono foram aplicados para servir como absorvedores saturados5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20. Os nanotubos de carbono foram demonstrados como o primeiro bloqueador de modo em nanoescala para gerar pulsos de alta qualidade5,6,7. No entanto, a alta energia de superfície e a proporção de nanotubos de carbono fazem com que os nanotubos de carbono sejam facilmente agregados e emaranhados para reduzir sua área de superfície e degradar sua uniformidade de distribuição. Embora a proporção do nanotubo de carbono possa ser ainda mais reduzida por ataque químico7, um ambiente ácido tão forte com H2SO4 e HNO3 concentrados formaria numerosos defeitos de superfície ou destruiria o nanotubo de carbono.

O grafeno é um material de carbono bidimensional que pode ser transferido diretamente para qualquer superfície. Assim, o grafeno poderia superar a distribuição não uniforme e o problema de auto-agregação ocorridos no nanotubo de carbono. Além disso, o grafeno exibe intensidade de limiar mais baixa para absorção saturada do que nanotubos de carbono para assumir outros absorvedores saturáveis ​​para o EDFL8,9,10 de modo bloqueado passivamente. Embora o grafeno tenha muitos méritos, o requisito ambiental para sintetizar o grafeno é relativamente rigoroso. Tomando o método CVD como exemplo, alta temperatura (próxima de 1000 °C) e ambiente de hidrogênio são necessários (alguém do grupo de pesquisa até pensa que o grafeno dificilmente pode ser sintetizado sem "hidrogênio" por deposição química de vapor)21. Em particular, o ambiente de oxigênio raro também é abundante, pois o grafeno reagiria com o oxigênio e formaria dióxido de carbono.

Para se livrar do complicado processo de síntese e transferência, surgiu a deposição de vapor químico aprimorada por plasma de baixa temperatura (PECVD) de grafeno22. Neste trabalho, um grafeno sintetizado PECVD de baixa temperatura e livre de hidrogênio é usado como um bloqueador de modo no laser de fibra dopado com érbio pela primeira vez. Além disso, são discutidos e comparados os desempenhos do absorvedor de grafeno saturado em tipos de transmissão ou reflexão para os sistemas EDFL com bloqueio de modo passivo.

A fim de medir a espessura e calcular o número de camadas do grafeno de poucas camadas, o filme catalisador de níquel ultrafino foi gravado por FeCl3 e o grafeno elevado foi transferido para uma bolacha de Si lisa depois. A imagem de microscopia de força atômica (AFM) e o perfil transversal do grafeno de poucas camadas no wafer de Si mostrado na Fig. 1a, b revelam uma diferença de altura de 2,5 nm entre o substrato de Si e o grafeno transferido. Considerando que a altura do grafeno monocamada é de cerca de 0,33 nm23, o número de camadas do grafeno de poucas camadas sintetizado por dissolução e redução in-situ após o crescimento PECVD livre de hidrogênio e de baixa temperatura é aproximadamente estimado em 6 ~ 7 camadas. Para caracterizar o recurso de absorção saturável do grafeno de poucas camadas, a transmitância não linear obtida sob o bombeamento com laser de fibra de alta potência de pico (comprimento de onda central em 1570 nm) é mostrada na Fig. 1c. Quando a potência média de bombeamento aumenta de 0,008 para 3,23 mW, a transmitância do grafeno de poucas camadas aumenta não linearmente de 87,5% para 91% com um ΔT de 3,5%. A absorção satura com uma potência de bombeamento de mais de 3,23 mW devido ao efeito de bloqueio de Pauli, onde os fótons podem passar pelo grafeno branqueado opticamente. A profundidade de modulação correspondente do grafeno de poucas camadas é de cerca de 28%, o que já é comparável aos de cerca de 30% obtidos a partir do grafeno de sete camadas sintetizado em alta temperatura e ambiente rico em hidrogênio8. Essa característica competitiva corroborou a confiabilidade do grafeno de poucas camadas sintetizado por dissolução e redução, cultivado sob PECVD livre de hidrogênio e de baixa temperatura.