应用光学, 2016, 37 (3): 471, 网络出版: 2016-10-20   

石墨烯在中红外波段的光限幅效应研究

Study on optical limiting effect of graphene in mid-infrared band
张泽南 1,2,*白杨 1,2白冰 1,2李渭龙 1,2冯晓强 1,2
作者单位
1 西北大学 光子学与光子技术研究所, 陕西 西安 710069
2 国家级光电技术和功能材料及应用国际科技合作基地 陕西省光电技术与功能材料省部共建国家重点实验室培育基地, 陕西 西安 710069
摘要
利用纳秒级脉冲量激光的Z 扫描方法对不同层数石墨烯薄膜在3 μm~5 μm中红外波段的光限幅效应开展了研究, 获得的开孔Z扫描曲线均呈现出单一谷结构, 而闭孔Z扫描曲线没有明显的峰谷对称结构。通过对开孔Z扫描实验数据进行数值模拟, 分别得到3层石墨烯在3.010 μm、3.522 μm、4.326 μm和4.880 4 μm 4个中心波长处的三阶非线性吸收系数和光限幅阈值分别为11.39×10-7cm/W、10.61×10-7cm/W、9.75×10-7cm/W、8.81×10-7cm/W和3.49 J/cm2、3.75 J/cm2、4.11 J/cm2、4.55 J/cm2; 3层、5层和7层石墨烯在3.522 μm中心波长处的三阶非线性吸收系数和光限幅阈值分别为10.61×10-7 cm/W、11.32×10-7 cm/W、11.95×10-7 cm/W和3.75 J/cm2、3.41 J/cm2、3.32 J/cm2。实验数据表明, 石墨烯在中红外波段产生了较强的非线性反饱和吸收而具有明显的光限幅效应。
Abstract
The optical limiting effect of the graphene films in mid-infrared band (3 μm~5 μm) was studied using nanosecond pulsed laser Z-scan method . The Z-scan curve obtained from the open aperture experiment showed a single valley structure, but the same structure did not show in the closed-aperture Z-scan curve. Through the fitting and calculation of the open-aperture Z-scan curve, the 3-order nonlinear absorption coefficients and the optical limiting thresholds of 3 layers graphene were 11.39×10-7cm/W, 10.61×10-7cm/W, 9.75×10-7cm/W, 8.81×10-7 cm/W and 3.49 J/cm2, 3.75 J/cm2, 4.11 J/cm2, 4.55 J/cm2 at 3.010 μm, 3.522 μm, 4.326 μm and 4.880 4 μm, respectively. The 3-order nonlinear absorption coefficients and the optical limiting thresholds of 3 layers, 5 layers and 7 layers graphene in 3.522 μm center wavelength were 10.61×10-7cm/W, 11.32×10-7cm/W, 11.95×10-7cm/W and 3.75 J/cm2, 3.41 J/cm2, 3.32 J/cm2, respectively. The experimental results show the optical limiting effect of graphene is obvious in the mid-infrared band based on nonlinear reverse saturable absorption.

张泽南, 白杨, 白冰, 李渭龙, 冯晓强. 石墨烯在中红外波段的光限幅效应研究[J]. 应用光学, 2016, 37(3): 471. Zhang Zenan, Bai Yang, Bai Bing, Li Weilong, Feng Xiaoqiang. Study on optical limiting effect of graphene in mid-infrared band[J]. Journal of Applied Optics, 2016, 37(3): 471.

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