eng
Если раньше черный электропроводящий графит считался непригодным для фотоники материалом, то в последние годы эта точка зрения изменилась коренным образом. Оказалось, что при понижении размерности и переходе к двумерному графиту (графену) или одномерному графиту (одностенным углеродным нанотрубкам и графеновым нанополосам) материал проявляет новые уникальные свойства.
Так сложилось исторически, что первыми были открыты одностенные углеродные нанотрубки (ОУН) [1]. Они представляют собой однослойные цилиндры c диаметром 0,3–3,0 нм и длиной 1–10 мкм, свернутые (с различным углом закручивания) из полос графеновой плоскости (pис.1а). Обычно нанотрубки синтезируются в виде пучков (ropes). Пучки нанотрубок представляют собой одномерные кристаллы (рис.1b), они могут формировать протяженные тонкие пленки нанометровой толщины (рис.1c). Нанотрубка – одномерная углеродная структура, все атомы которой находятся на поверхности. Электронные и оптические свойства такой системы полностью определяются ее геометрией. ОУН могут быть как металлами, так и полупроводниками. В электронной структуре полупроводниковых нанотрубок появляется запрещенная зона, ширина которой растет при уменьшении диаметра нанотрубки. Это означает, что оптические свойства материала варьируемые.
Оказалось, что нанотрубки обладают также высокой оптической нелинейностью (на два порядка большей, чем широко использующиеся кристаллы KDP) и сверхбыстрыми временами релаксации электронных возбуждений (около 100 фс). Эти свойства открыли возможность использования нанотрубок в качестве сверхбыстрых модуляторов световых пучков – насыщающихся поглотителей (НП). НП используют для реализации режима самосинхронизации мод и формирования сверхкоротких (фемтосекундных) импульсов в лазерах ближнего ИК-диапазона [2–6] (рис.2); для генерации оптических гармоник [6, 7], для создания сверхбыстрых фотодетекторов, работающих в широком спектральном диапазоне [8]. Это дает возможность использовать материал в оптических коммуникациях (с использованием излучения с основной длиной волны 1,5 мкм), лазерной хирургии, особенно офтальмологической хирургии (с 1,8–2,2-мкм излучением), в зондировании загрязнений в атмосфере (при длинах волн более 2 мкм) и в спектроскопии с временным разрешением.
Формирование и применение насыщающихся поглотителей на основе ОУН является новой интенсивно развивающейся областью науки. Первое упоминание о применении ОУН (в виде пленки, напыленной на стекло) в качестве насыщающегося поглотителя в волоконном (эрбиевом) лазере было опубликовано японскими учеными в тезисах OFC-конференции в 2003 году [9]. А уже через год – в 2004 году российскими учеными из Института общей физики им.А.М.Прохорова РАН (ИОФ РАН) была реализована самосинхронизация мод в эрбиевом лазере с использованием жидкой суспензии нанотрубок (рис.3а) [2]. В 2007 году, благодаря взаимодействию с Научным центром волоконной оптики РАН (НЦВО РАН), были успешно проведены работы по созданию элементов для волоконных лазеров в форме полимерных пленок с распределенными в них ОУН [4–6]. За десять лет на базе лаборатории спектроскопии наноматериалов (под руководством Е.Образцовой) в ИОФ РАН был реализован полный (полупромышленный) цикл формирования НП. Он включает в себя синтез ОУН методами дугового разряда и химического газофазного осаждения, всестороннюю характеризацию их свойств оптическими методами, формирование на их основе НП различного типа (рис.3б–г) и их испытание в различных лазерах с широким диапазоном рабочих длин волн (1,0–2,2 мкм).
Широкий рабочий спектральный диапазон, определяемый геометрией нанотрубок, является одной из их ключевых уникальных характеристик. До недавнего времени нанотрубки, синтезированные различными методами (электрическая дуга, лазерная абляция, химическое газофазное осаждение из метана или паров спирта) имели диаметр менее 2 нм. В последние годы была продемонстрирована возможность использования одностенных углеродных нанотрубок в качестве насыщающихся поглотителей в лазерах, работающих в спектральном диапазоне 0,80–1,93 нм (от титан-сапфирового лазера [11] до тулиевого волоконного лазера [5, 6]). Однако реализовать режим самосинхронизации мод и получить субпикосекундные импульсы также важно и в диапазоне 2,0–3,0 мкм. Этого требует и оптическая диагностика атмосферы, и необходимость расширения класса лазеров, работающих с насыщающимися поглотителями, основанными на ОУН. Недавно разработанный аэрозольный метод синтеза с использованием ферроцена в газе СО позволяет получать большие нанотрубки с диаметрами до 3,0 нм. Их спектр поглощения покрывает диапазон вплоть до 3 мкм [12].
В 2004 году в науку стремительно ворвался графен – гексагональная углеродная сетка толщиной в один атом [10]. Относительно несложный способ его получения и регистрация многих новых фундаментальных эффектов в этом материале взбудоражили научное общество и принесли Нобелевскую премию его открывателям – выходцам из России Андрею Гейму и Константину Новоселову. Для фотоники появление графена открыло фантастическую возможность создания нелинейно-оптических элементов для практически неограниченного спектрального диапазона – от средней инфракрасной до терагерцевой области [11–12]. Российским ученым удалось внести свой вклад в использование графеновых насыщающихся поглотителей. В частности, впервые были зарегистрированы и измерены насыщающиеся потери на длине волны 10 мкм, характерной для широко применяющегося в технологиях СО2-лазера [13].
Графен обладает всеми преимуществами нанотрубок (высокой оптической нелинейностью и субпикосекундными временами релаксации электронных возбуждений), но вследствие линейной дисперсии энергии электронов в зависимости от волнового вектора он может использоваться на любой длине волны, в то время как нанотрубки наиболее эффективны при возбуждении с длинами волн, совпадающими с максимумами их оптического поглощения. Максимальный диаметр, при котором одностенные нанотрубки остаются устойчивыми, ограничен – около 3 нм. Это значит, что максимальная длина волны, на которой могут работать насыщающиеся поглотители из ОУН, не превышает 3 мкм (рис.4).
Со времени первых экспериментов по использованию графеновых структур в фотонике прошло около 12 лет. Перефразируя известное выражение, можно сказать что графен "так же неисчерпаем, как и атом". Сегодня появились новые идеи использования графена для генерации суперконтинуума в волоконных лазерах, об увеличении оптической нелинейности в пленках из допированных одностенных углеродных нанотрубок или графена. При создании компактных лазеров на основе фотонных кристаллов [14] или "on-chip" лазеров графен рассматривается как единственный подходящий насыщающийся поглотитель, способный сохранить миниатюрность устройств. Сегодня в России более пяти групп в различных городах (в Москве, Новосибирске, Черноголовке, Нижнем Новгороде, Ижевске, Санкт–Петербурге) вовлечены в исследования в области графеновой фотоники. Следует отметить, что их результаты находятся на мировом уровне и вполне конкурентоспособны. Возможно, уже настала пора сделать шаг от лабораторных исследований к промышленным разработкам.
Работа поддержана Российским научным фондом в рамках проекта "Углеродная фотоника".
Литература
1. Iijuma S. Helical microtubules of graphitic carbon. – Nature, 1991, v. 354, p. 56.
2. Ильичев Н.Н., Образцова Е.Д., Гарнов С.В., Мосалева С.Е. Нелинейное пропускание одностенных углеродных нанотрубок в D2O на длине волны 1,54 мкм и получение режима самосинхронизации мод в лазере на стекле с Er 3+ с помощью пассивного затвора на их основе. – Квантовая электроника, 2004, т. 34, с. 572.
3. Garnov S.V., Solokhin S.A., Obraztsova E.D., Lobach A.S., Obraztsov P.A., Chernov A.I., Bukin V.V., Sirotkin A.A., Zagumennyi Y.D., Zavartsev Y.D., Kutovoi S.A. and Shcherbakov I.A. Passive mode-locking with carbon nanotube saturable absorber in Nd: GdVO4 and Nd: Y0,9Gd0,1VO4 lasers operating at 1,34 mkm. – Laser Physics Lett., 2007, v.4, p.648.
4. Tausenev A. V., Obraztsova E.D., Lobach A.S., Chernov A.I., Konov V.I., Kryukov P.G., Konyashchenko A.V., Dianov E.M. 177-fs erbium-doped fiber laser mode-locked with a cellulose polymer film containing single-wall carbon nanotubes. – Appl. Phys. Lett., 2008, v.92 p. 171113.
5. Max A. Solodyankin, Obraztsova E.D., Lobach A.S., Chernov A.I., Tausenev A.V., Konov V.I., Dianov E.M. 1.93 mm mode-locked thulium fiber laser with a carbon nanotube absorber. – Optics Lett., 2008, v. 33, p. 1336.
6. Chernysheva M., Krylov A., Arutyunyan N., Pozharov A., Obraztsova E., Dianov E. SESAM and SWCNT Mode-Locked All-Fiber Thulium-Doped Lasers Based on the Nonlinear Amplifying Loop Mirror. – IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2014, v. 20, p.1101208.
7. Bykov A.Y., Murzina T.V., Rybin M.G., Obraztsova E.D. Second harmonic generation in multilayer graphene induced by direct electric current. – Phys. Rev. B, 2012, v.85, p.121413 (R).
8. Obraztsov Р.А., Kaplas T., Garnov S.V., Kuwata-Gonokami M., Obraztsov A.N., Svirko Yu.P. All-optical control of ultrafast photocurrents in unbiased grapheme. – Scientific reports, 2014, v.4, p.4007.
9. Set S.Y., Yaguchi H., Tanaka Y., Yablonski M., Sakakibara Y., Rozhin A., Tokumoto M., Kataura H., Achiba Y. and Kikuchi K. – Abstracts of OFC 2003 (USA), PDP44.
10. Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V., Jiang D., Zhang Y., S.V. Dubonos, Grigorieva I.V., and Firsov A.A. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. – Science, 2004, v. 306, p. 666.
11. Bao Q., Zhang H., Wang Yu, Ni Z., Yan Y., Shen Z.X., Loh K.P. and Tang D.Y. Atomic-Layer Graphene as a Saturable Absorber for Ultrafast Pulsed Lasers. – Adv. Func. Materials, 2009, v. 19, p. 3077.
12. Sun Z., Hasan T., Torrisi F., Popa D., Privitera G., Wang F., Bonnacorso F., Basko D.M. and Ferrari A.C. Graphene Mode-Locked Ultrafast laser. – ACS Nano, 2010, v. 4, p. 803.
13. Сороченко В.Р., Образцова Е.Д., Русаков П.С., Рыбин М.Г. Нелинейное пропускание графеном излучения СО2-лазера. – Квантовая электроника, 2012, т. 42, с. 907.
14. Rybin M.G., Pozharov A.S., Chevalier C., Garrigues M., Seassal C., Peretti R., Jamois C., Viktorovitch P. and Obraztsova E. Enhanced optical absorbance of CVD-graphene monolayer by combination with photonic crystal slab. – Physica Status Solidi B, 2012, v. 249, p. 2530.
Оказалось, что нанотрубки обладают также высокой оптической нелинейностью (на два порядка большей, чем широко использующиеся кристаллы KDP) и сверхбыстрыми временами релаксации электронных возбуждений (около 100 фс). Эти свойства открыли возможность использования нанотрубок в качестве сверхбыстрых модуляторов световых пучков – насыщающихся поглотителей (НП). НП используют для реализации режима самосинхронизации мод и формирования сверхкоротких (фемтосекундных) импульсов в лазерах ближнего ИК-диапазона [2–6] (рис.2); для генерации оптических гармоник [6, 7], для создания сверхбыстрых фотодетекторов, работающих в широком спектральном диапазоне [8]. Это дает возможность использовать материал в оптических коммуникациях (с использованием излучения с основной длиной волны 1,5 мкм), лазерной хирургии, особенно офтальмологической хирургии (с 1,8–2,2-мкм излучением), в зондировании загрязнений в атмосфере (при длинах волн более 2 мкм) и в спектроскопии с временным разрешением.
Формирование и применение насыщающихся поглотителей на основе ОУН является новой интенсивно развивающейся областью науки. Первое упоминание о применении ОУН (в виде пленки, напыленной на стекло) в качестве насыщающегося поглотителя в волоконном (эрбиевом) лазере было опубликовано японскими учеными в тезисах OFC-конференции в 2003 году [9]. А уже через год – в 2004 году российскими учеными из Института общей физики им.А.М.Прохорова РАН (ИОФ РАН) была реализована самосинхронизация мод в эрбиевом лазере с использованием жидкой суспензии нанотрубок (рис.3а) [2]. В 2007 году, благодаря взаимодействию с Научным центром волоконной оптики РАН (НЦВО РАН), были успешно проведены работы по созданию элементов для волоконных лазеров в форме полимерных пленок с распределенными в них ОУН [4–6]. За десять лет на базе лаборатории спектроскопии наноматериалов (под руководством Е.Образцовой) в ИОФ РАН был реализован полный (полупромышленный) цикл формирования НП. Он включает в себя синтез ОУН методами дугового разряда и химического газофазного осаждения, всестороннюю характеризацию их свойств оптическими методами, формирование на их основе НП различного типа (рис.3б–г) и их испытание в различных лазерах с широким диапазоном рабочих длин волн (1,0–2,2 мкм).
Широкий рабочий спектральный диапазон, определяемый геометрией нанотрубок, является одной из их ключевых уникальных характеристик. До недавнего времени нанотрубки, синтезированные различными методами (электрическая дуга, лазерная абляция, химическое газофазное осаждение из метана или паров спирта) имели диаметр менее 2 нм. В последние годы была продемонстрирована возможность использования одностенных углеродных нанотрубок в качестве насыщающихся поглотителей в лазерах, работающих в спектральном диапазоне 0,80–1,93 нм (от титан-сапфирового лазера [11] до тулиевого волоконного лазера [5, 6]). Однако реализовать режим самосинхронизации мод и получить субпикосекундные импульсы также важно и в диапазоне 2,0–3,0 мкм. Этого требует и оптическая диагностика атмосферы, и необходимость расширения класса лазеров, работающих с насыщающимися поглотителями, основанными на ОУН. Недавно разработанный аэрозольный метод синтеза с использованием ферроцена в газе СО позволяет получать большие нанотрубки с диаметрами до 3,0 нм. Их спектр поглощения покрывает диапазон вплоть до 3 мкм [12].
В 2004 году в науку стремительно ворвался графен – гексагональная углеродная сетка толщиной в один атом [10]. Относительно несложный способ его получения и регистрация многих новых фундаментальных эффектов в этом материале взбудоражили научное общество и принесли Нобелевскую премию его открывателям – выходцам из России Андрею Гейму и Константину Новоселову. Для фотоники появление графена открыло фантастическую возможность создания нелинейно-оптических элементов для практически неограниченного спектрального диапазона – от средней инфракрасной до терагерцевой области [11–12]. Российским ученым удалось внести свой вклад в использование графеновых насыщающихся поглотителей. В частности, впервые были зарегистрированы и измерены насыщающиеся потери на длине волны 10 мкм, характерной для широко применяющегося в технологиях СО2-лазера [13].
Графен обладает всеми преимуществами нанотрубок (высокой оптической нелинейностью и субпикосекундными временами релаксации электронных возбуждений), но вследствие линейной дисперсии энергии электронов в зависимости от волнового вектора он может использоваться на любой длине волны, в то время как нанотрубки наиболее эффективны при возбуждении с длинами волн, совпадающими с максимумами их оптического поглощения. Максимальный диаметр, при котором одностенные нанотрубки остаются устойчивыми, ограничен – около 3 нм. Это значит, что максимальная длина волны, на которой могут работать насыщающиеся поглотители из ОУН, не превышает 3 мкм (рис.4).
Со времени первых экспериментов по использованию графеновых структур в фотонике прошло около 12 лет. Перефразируя известное выражение, можно сказать что графен "так же неисчерпаем, как и атом". Сегодня появились новые идеи использования графена для генерации суперконтинуума в волоконных лазерах, об увеличении оптической нелинейности в пленках из допированных одностенных углеродных нанотрубок или графена. При создании компактных лазеров на основе фотонных кристаллов [14] или "on-chip" лазеров графен рассматривается как единственный подходящий насыщающийся поглотитель, способный сохранить миниатюрность устройств. Сегодня в России более пяти групп в различных городах (в Москве, Новосибирске, Черноголовке, Нижнем Новгороде, Ижевске, Санкт–Петербурге) вовлечены в исследования в области графеновой фотоники. Следует отметить, что их результаты находятся на мировом уровне и вполне конкурентоспособны. Возможно, уже настала пора сделать шаг от лабораторных исследований к промышленным разработкам.
Работа поддержана Российским научным фондом в рамках проекта "Углеродная фотоника".
Литература
1. Iijuma S. Helical microtubules of graphitic carbon. – Nature, 1991, v. 354, p. 56.
2. Ильичев Н.Н., Образцова Е.Д., Гарнов С.В., Мосалева С.Е. Нелинейное пропускание одностенных углеродных нанотрубок в D2O на длине волны 1,54 мкм и получение режима самосинхронизации мод в лазере на стекле с Er 3+ с помощью пассивного затвора на их основе. – Квантовая электроника, 2004, т. 34, с. 572.
3. Garnov S.V., Solokhin S.A., Obraztsova E.D., Lobach A.S., Obraztsov P.A., Chernov A.I., Bukin V.V., Sirotkin A.A., Zagumennyi Y.D., Zavartsev Y.D., Kutovoi S.A. and Shcherbakov I.A. Passive mode-locking with carbon nanotube saturable absorber in Nd: GdVO4 and Nd: Y0,9Gd0,1VO4 lasers operating at 1,34 mkm. – Laser Physics Lett., 2007, v.4, p.648.
4. Tausenev A. V., Obraztsova E.D., Lobach A.S., Chernov A.I., Konov V.I., Kryukov P.G., Konyashchenko A.V., Dianov E.M. 177-fs erbium-doped fiber laser mode-locked with a cellulose polymer film containing single-wall carbon nanotubes. – Appl. Phys. Lett., 2008, v.92 p. 171113.
5. Max A. Solodyankin, Obraztsova E.D., Lobach A.S., Chernov A.I., Tausenev A.V., Konov V.I., Dianov E.M. 1.93 mm mode-locked thulium fiber laser with a carbon nanotube absorber. – Optics Lett., 2008, v. 33, p. 1336.
6. Chernysheva M., Krylov A., Arutyunyan N., Pozharov A., Obraztsova E., Dianov E. SESAM and SWCNT Mode-Locked All-Fiber Thulium-Doped Lasers Based on the Nonlinear Amplifying Loop Mirror. – IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2014, v. 20, p.1101208.
7. Bykov A.Y., Murzina T.V., Rybin M.G., Obraztsova E.D. Second harmonic generation in multilayer graphene induced by direct electric current. – Phys. Rev. B, 2012, v.85, p.121413 (R).
8. Obraztsov Р.А., Kaplas T., Garnov S.V., Kuwata-Gonokami M., Obraztsov A.N., Svirko Yu.P. All-optical control of ultrafast photocurrents in unbiased grapheme. – Scientific reports, 2014, v.4, p.4007.
9. Set S.Y., Yaguchi H., Tanaka Y., Yablonski M., Sakakibara Y., Rozhin A., Tokumoto M., Kataura H., Achiba Y. and Kikuchi K. – Abstracts of OFC 2003 (USA), PDP44.
10. Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V., Jiang D., Zhang Y., S.V. Dubonos, Grigorieva I.V., and Firsov A.A. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. – Science, 2004, v. 306, p. 666.
11. Bao Q., Zhang H., Wang Yu, Ni Z., Yan Y., Shen Z.X., Loh K.P. and Tang D.Y. Atomic-Layer Graphene as a Saturable Absorber for Ultrafast Pulsed Lasers. – Adv. Func. Materials, 2009, v. 19, p. 3077.
12. Sun Z., Hasan T., Torrisi F., Popa D., Privitera G., Wang F., Bonnacorso F., Basko D.M. and Ferrari A.C. Graphene Mode-Locked Ultrafast laser. – ACS Nano, 2010, v. 4, p. 803.
13. Сороченко В.Р., Образцова Е.Д., Русаков П.С., Рыбин М.Г. Нелинейное пропускание графеном излучения СО2-лазера. – Квантовая электроника, 2012, т. 42, с. 907.
14. Rybin M.G., Pozharov A.S., Chevalier C., Garrigues M., Seassal C., Peretti R., Jamois C., Viktorovitch P. and Obraztsova E. Enhanced optical absorbance of CVD-graphene monolayer by combination with photonic crystal slab. – Physica Status Solidi B, 2012, v. 249, p. 2530.
Отзывы читателей
