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北京卓立漢光儀器有限公司

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Z掃描技術助力高性能光子器件的設計

閱讀:271      發(fā)布時間:2025-5-23
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超快光譜Z掃描技術是一種結合超快激光脈沖和非線性光學效應的實驗方法,常用于表征材料的光學非線性特性及其動態(tài)過程。

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導語

在納米材料的世界里,量子點因其獨*的光電特性被譽為“未來光電子技術的基石"。科研團隊在《The Journal of Physical Chemistry》發(fā)表的研究中,通過Z掃描技術精準“解碼"了不同溶劑對硫化鉛(PbS)量子點非線性光學性質的調控機制,為高性能光子器件的設計開辟新思路!

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研究亮點

1. 溶劑的“隱形之手"

甲苯、正己烷、四氯化碳三種分散劑中,甲苯分散的PbS量子點晶體結構*完*(HRTEM圖像顯示無晶格畸變),非線性折射系數γ高達-2.377×10?1? cm2/W,性能碾壓其他溶劑!

2. Z掃描技術:非線性光學的“精準標尺"

飛秒激光+單光束Z掃描(圖4-9),同步捕捉非線性吸收與折射,揭示激光功率與溶劑協同影響量子點性能的深層規(guī)律。

3. 突破性發(fā)現

高功率下(5 mW),四氯化碳分散的量子點因晶格畸變導致Z掃描數據失真,而甲苯樣品仍穩(wěn)定輸出可靠結果,驗證材料均勻性對測量至關重要。

Z掃描裝置:如何“透視"量子點的光學密碼?

工作原理

3.png

  • 雙模式:通過開孔(測吸收)和閉孔(測折射)探測器,僅需移動樣品位置(Z軸),即可提取非線性系數β和γ(圖4a)。

  • 飛秒激光(脈寬130 fs,重復頻率76 MHz)確保超快時間分辨率,避免熱效應干擾,數據更純凈。

技術優(yōu)勢

高靈敏度:在低至1 mW功率下仍能捕捉微弱非線性信號(圖7),適配納米材料低功耗特性。

抗干擾設計:通過對照實驗排除溶劑本身影響(如甲苯單獨測試無信號),確保數據僅反映量子點特性。

關鍵數據:溶劑與功率的“博弈"

非線性折射系數γ

分散劑

激光功率(mW)

γ(×10?1? cm2/W)

甲苯

1

-0.9005

正己烷

1

-2.377

四氯化碳

1

-1.285

功率影響

  • 甲苯樣品:功率從1 mW升至5 mW,γ保持穩(wěn)定(圖5),驗證其結構穩(wěn)定性。

  • 四氯化碳樣品:功率≥2 mW時,Z掃描曲線嚴重畸變(圖6),數據不可靠。

為什么甲苯是“*優(yōu)解"?

  • 甲苯分子與量子點表面作用溫和,促進均勻成核,減少晶格缺陷(HRTEM圖1 vs 圖2/3),為非線性效應提供完*載體。

應用前景:從實驗室到產業(yè)

光開關與調制器:高γ值的甲苯分散量子點可制成低功耗、高速響應的全光開關,提升光通信速率。
非線性光子器件:與光纖或硅基芯片集成,開發(fā)超緊湊光頻轉換器、光學限幅器等。
精準檢測:Z掃描技術為納米材料光學特性提供標準化評測方案,助力新材料研發(fā)。

挑戰(zhàn)與突破

測量陷阱高功率激光可能激發(fā)熱效應或晶格畸變(如四氯化碳樣品),導致數據失真。

解決方案:

1. 優(yōu)選分散劑:甲苯兼顧結構穩(wěn)定與測量準確性。

2. 功率適配:根據材料特性選擇激光功率,平衡信噪比與干擾風險。

總結與展望

Z掃描技術如同一把“光學手術刀",精準剖析了溶劑與量子點性能的關聯。未來,團隊計劃拓展該技術至其他納米材料(如鈣鈦礦量子點),并探索量子點-光子晶體集成器件,推動光電子技術的實用化進程。

論文信息:Hui Cheng et al., J. Phys. Chem. C (2015)

卓立漢光最新推出了MAPS-Zscan系列測量三階光學非線性的Z掃描系統(tǒng),系統(tǒng)集成度高,占地面積小,軟件采取全電動化設計,一鍵全自動測量,可用于下述應用實驗中,歡迎垂詢。

1.材料表征

  • 非線性材料研究:如半導體(GaAs、ZnO)、有機材料、二維材料(石墨烯、過渡金屬硫化物)的非線性響應。

  • 納米光子學:探測等離激元共振、量子點、納米結構的非線性增強效應。

  • 超快動力學:研究電子激發(fā)弛豫、相干聲子振蕩、等離子體振蕩等超快過程。

2. 光學器件設計

  • 自聚焦/自散焦材料:用于光束整形、光學限幅器、光開關等器件開發(fā)。

  • 光存儲與光通信:評估材料在高速光信號處理中的非線性特性,如全光開關的響應速度。

3. 生物醫(yī)學應用

  • 多光子成像:雙光子吸收特性可用于活體組織成像,提高成像深度和分辨率。

  • 光動力治療:研究光敏劑的三重態(tài)激發(fā)效率,優(yōu)化治療參數。

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