中红外波段窄带隙硫系玻璃的巨光学非线性以及机理研究

Chalcogenide glasses have large third order optical nonlinearity and wide transmission range, and thus they offer great potentials as materials used in the photonics devices such as supercontinuum generation, frequency comb, Raman fiber laser and all optical switching in the mid-infrared. However currently there is almost no report on the optical nonlinearity of the chalcogenide glasses in the mid-infrared and its mechanism. Therefore in this project, we will develop new chalcogenide glasses with high optical nonlinearity for the applications in photonics, we will design the glasses containing heavy elements that is expected to have smaller optical bandgap, explore their optical nonlinearity in a wide range from 1.5 to 5μm, elucidate the correlation among the nonlinearity, glass structure and compositions, deepen our knowledge on the physical mechanism determining the optical nonlinearity of chalcogenide glasses in the mid-infrared, and finally develop a physical model regarding the optical nonlinearity. The results achieved in the project will form a solid base for the fundamental science as well as the practical applications of the chalcogenide glasses in the mid-infrared.

硫系玻璃具有极高的三阶非线性系数和极宽的红外透过区域，它可以作为一种新型红外光子器件（光纤、波导等）基质材料在中红外超连续谱光源、中红外光频梳、中红外拉曼光纤激光器、以及T比特传输速率的全光开关等方面具有广阔的应用前景，但目前国内外在中红外波段的硫系玻璃三阶光学非线性机理和特性研究缺乏。本项目拟发展新型高非线性光子器件硫系玻璃基质材料，拟从设计具有较小的光学带隙(1eV)的重元素硫系玻璃新体系，研究并阐明重元素硫系光学玻璃在1.5-5微米波段的非线性光学性质与玻璃结构、成份之间的内在变化规律，掌握其物理机制和调控方法，建立窄带隙硫系玻璃光学非线性的物理模型，本项目的开展可为今后设计和发展自主知识产权的新型高非线性红外光子器件奠定科学的理论依据和实验数据。

硫系玻璃具有极高的三阶非线性系数和极宽的红外透过区域，它可以作为一种新型红外光 子器件（光纤、波导等）基质材料在中红外超连续谱光源、中红外光频梳、中红外拉曼光纤激光器、以及T比特传输速率的全光开关等方面具有广阔的应用前景，但红外光子学的进一步发展需要具有更大光学非线性的硫系玻璃材料，并需要探明中红外波段的硫系玻璃三阶光学非线性的调控机理。本课题从设计具有较小的光学带隙的重元素硫系玻璃新体系出发，制备了一系列硫系玻璃， 并开展一些研究：（1）玻璃转变动力学、结晶动力学、玻璃结构以及物理性质研究，证明了通过变化玻璃成分可以调控玻璃的晶化速度， 从而为不同应用的材料选择提供一条有益的思路；（2）采用热压制备薄膜用于测量玻璃光学带隙，发展用多功率激光泵浦从而提取准确光学非线性系数以及双光子吸收系数的方法， 并运用在在GeAsTe, GeSeTe, GeGaS等玻璃体系非线性光学性质的测量中；（3）研究玻璃块材以及薄膜中光热诱导的各种各样物理效应，以及在不同激光照射下的激光损伤，得到在光热等外场作用下性质稳定的材料，为硫系玻璃在光子学器件的应用方面提供了很好的材料选择；（4）研究了线性与非线性光学性质以及玻璃带隙之间关系，用Miller定则以及半导体模型等解释了这些光学参数的关系。所有的实验结果证明了窄带隙硫系玻璃光学非线性可以比常见的硫化砷或硒化砷大一个数量级或更多，最大的光学非线性系数可以达到4.9X10-13cm2/W, 但随之双光子系数也相应增大，这对设计制备新型高非线性红外光子器件提供了科学的理论依据和实验数据， 即在中红外波段光学非线性不是材料设计的单一考虑因素，而是需要综合考虑材料的非线性系数和非线性吸收以及材料的光热稳定性问题。