提高PbSe量子点掺杂的液芯光纤中光学增益的研究

Quantum dot (QD) -doped optical fiber amplifier has attracted much attention because of the tunability of the emission wavelength. However, the optical gain is not ideal because of the poor stability of QD material and non-radiative auger recombination effect. For these reason, we design optical fiber amplifier using PbSe QD solution as the fiber core, and SiO2 as fiber cladding and propose methods for improving light amplification effect: (1) the optical gain can be improved by using PbSe/CdSe core/shell QD as fiber core due to its more stable property; (2) the multi-exciton state for QD in the fiber core can be generated under a appropriate pump, thus the optimal optical gain can be obtained by regulating the average number of exciton; (3) with ultrashort pulse excitation, the auger recombination effect generated by multi-exciton state can be inhibited, increasing the probability of the stimulated emission. Finally, the optical gain of 20~dB can be reached by optimizing all of the parameters. Studies of using core/shell QD as the dopant in the liquid-core fiber and optical gain based on multi-exciton state have not yet been found in domestic and foreign research. Besides, using ultrashort pulse for exciting QD is a new method for inhibiting auger recombination effectively. This research is of great significance for the development of the QD-doped optical fiber amplifier.

量子点掺杂的光纤放大器由于发光波长可调谐而倍受关注。然而却因为材料的稳定性差和非辐射的俄歇复合效应而导致光学增益效果不理想。为此，我们设计以PbSe量子点溶液为纤芯，SiO2玻璃为包层的光纤光放大装置，提出并研究改善光放大效果的方法：（1）以稳定性更强的PbSe/CdSe核壳量子点溶液为纤芯制作液芯光纤，通过抑制其发光强度的衰减来增加光学增益；（2）在适当的泵浦光激发下，使纤芯中的量子点产生多激子态，通过调节平均激子个数得到最佳的光学增益；（3）采用超短脉冲激发，抑制纤芯内量子点由于多激子态而产生的俄歇复合效应，提高受激辐射的发生概率。最后，优化各项参数，预期达到~20 dB的光学增益。目前还未查到国内外关于采用核壳量子点作为掺杂剂的液芯光纤的研究和多激子态下的光学增益的报道。另外，采用超短脉冲激发量子点光纤是有效的抑制俄歇复合的新方法。此项研究成果对于量子点光纤放大器的研制具有重大意义。

量子点掺杂光纤可以实现发光波长可调谐，可以应用于光纤放大器、光纤传感器及光纤激光器等领域。然而却因为材料的稳定性差和非辐射的俄歇复合效应而导致光学增益效果不理想。为此，本课题主要做了以下几个方面的研究，力争提高其发光强度和光学增益：①采用PbSe/CdSe核壳量子点作为光纤掺杂剂，得到的光纤发光强度比普通的PbSe量子点光纤高10倍，且具有更加明显的尺寸效应和俄歇复合效应，此种方法是提高量子点掺杂光纤发光强度的一种重要途径。②采用高温热分解法大批量地合成了CuInS2裸核量子点，通过包覆ZnS壳层提高其发光量子效率，CuInS2/ZnS核壳量子点掺杂光纤的发光光谱具有更高的稳定性，可以在纤芯中传播更长的距离。其发光强度约为PbSe量子点掺杂光纤发光强度的3.8倍，为CuInS2/ZnS核壳量子点作为光纤掺杂剂，从而改善光纤发光的性质提供了理论依据。③研究了各种尺寸参数对光纤发光的综合影响，观察到了不同尺寸的PbSe量子点作为掺杂剂时的“最佳”光纤长度、光纤直径和量子点数量。此外，每种“最佳”值都随其他三个尺寸参数而变化，这四个尺寸参数相互限制，共同影响着光谱特征，计算结果与实验数据吻合得很好。④PbSe量子点光纤的发光性质受外界温度的影响，随温度的升高，发光强度下降，光谱发生红移现象，为量子点光纤温度传感器的研制提供指导。⑤使用脉冲激光激发PbSe量子点光纤，提高了受激辐射和光学增益，通过优化参数，最后得到11.5dB的光学增益。借助于课题的工作，发表SCI收录学术论文6篇，EI论文1篇，出版学术专著1部，培养硕士研究生2名。