Электронно-микроскопическое изображение тонкой пленки из пучков одностенных углеродных нанотрубок
Многие годы черный электропроводящий графит считался материалом, не пригодным для фотоники. Однако оказалось, что при понижении размерности и переходе к двумерному графиту (графену) или одномерному графиту (одностенным углеродным нанотрубкам и графеновым нанополосам) появляются новые уникальные оптические свойства.
Исторически первыми были открыты одностенные углеродные нанотрубки (ОУН) [1]. Они представляют собой одно-слойные цилиндры диаметром 0,3-3,0 нм и длиной 1-10 мкм, условно свернутые из полос графеновой плоскости [03]. Обычно нанотрубки синтезируются в виде пучков
[04-05--]. Нанотрубка — одномерная углеродная структура, все атомы которой находятся на поверхности. Электронные и оптические свойства такой системы полностью определяются ее геометрией и, в первую очередь, диаметром нанотрубки. То есть это материал, обладающий варьируемыми свойствами.
Оказалось, что нанотрубки обладают высокой оптической нелинейностью и сверхмалыми временами релаксации электронных возбуждений (около 100 фс). Эти свойства открыли возможность использования нанотрубок в качестве сверхбыстрых модуляторов световых пучков — насыщающихся поглотителей (НП). НП используются для реализации режима самосинхронизации мод и формирования сверхкоротких (фемтосекундных) импульсов в лазерах ближнего инфракрасного диапазона [2-6] [рис.01 ]. Такие импульсы важны для развития оптических коммуникаций, лазерной хирургии, в том числе офтальмологической, зондирования загрязнений в атмосфере и спектроскопии с временным разрешением. Другими важными нелинейно-оптическими применениями являются генерация оптических гармоник [7] и создание сверхбыстрых фотодетекторов, работающих в широком спектральном диапазоне [8].
Насыщающиеся поглотители на основе ОУН — новая интенсивно развивающаяся область науки. Первое упоминание о применении ОУН в качестве НП в волоконном лазере было опубликовано японскими учеными в 2003 году [9]. Уже в следующем году российскими учеными из Института общей физики РАН (ИОФ РАН) была реализована самосинхронизация мод в эрбиевом лазере с использованием жидкой суспензии нанотрубок [2]. В 2007 году, благодаря взаимодействию с Научным центром волоконной оптики РАН, были созданы элементы для волоконных лазеров в форме полимерных пленок с распределенными в них ОУН [4-6]. За прошедшие годы на базе лаборатории спектроскопии наноматериалов в ИОФ РАН был реализован полный (полупромышленный) цикл формирования НП. Он включает следующие этапы: синтез ОУН методами дугового разряда и химического газофазного осаждения, характеризация их свойств оптическими методами, формирование на их основе НП различного типа [01-02] и их испытание в различных лазерах с широким диапазоном рабочих длин волн. Широкий рабочий спектральный диапазон, определяемый геометрией нанотрубок, является одной из их уникальных характеристик.
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 сообщество 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 терагерцовой 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.
Со времени первых экспериментов по использованию графеновых структур в фотонике прошло около 12 лет. Сегодня появились новые идеи использования графена для генерации суперконтинуума в волоконных лазерах и увеличения оптической нелинейности пленок 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 несколько групп в различных городах (в Москве, Новосибирске, Черноголовке, Нижнем Новгороде, Ижевске, Санкт-Петербурге) вовлечены в исследования в области графеновой фотоники. Их результаты находятся на мировом уровне и вполне конкурентноспособны. Возможно, уже настала пора сделать шаг от лабораторных исследований к промышленным разработкам.
Автор выражает благодарность проекту Российского научного фонда "Углеродная фотоника"
[1] S. Iijuma "Helical microtubules of graphitic carbon", Nature 354 (1991) 56
[2] Н.?Н. Ильичев, Е.?Д. Образцова, С.?В. Гарнов, С.?Е. Мосалева "Нелинейное пропускание одностенных углеродных нанотрубок в D2O на длине волны 1.54 мкм и получение режима самосинхронизации мод в лазере на стекле с Er3+ с помощью пассивного затвора на их основе", Квантовая электроника 34 (2004) 572
[3] S.?V. Garnov, S.?A. Solokhin, E.?D. Obraztsova, A.?S. Lobach, P.?A. Obraztsov, A.?I. Chernov, V.?V. Bukin, A.?A. Sirotkin, Y.?D. Zagumennyi, Y.?D. Zavartsev, S.?A. Kutovoi and I.?A. Shcherbakov "Passive mode-locking with carbon nanotube saturable absorber in Nd: GdVO4 and Nd: Y0.9Gd0.1VO4 lasers operating at 1.34 mkm", Laser Physics Letters 4 (2007) 648
[4] A.?V. Tausenev, E.?D. Obraztsova, A.?S. Lobach, A.?I. Chernov, V.?I. Konov, P.?G. Kryukov, A.?V. Konyashchenko, E.?M. Dianov "177?fs erbium-doped fiber laser mode-locked with a cellulose polymer film containing single-wall carbon nanotubes", Appl. Phys. Lett. 92 (2008) 171113
[5] Max A. Solodyankin, Elena D. Obraztsova, Anatoly S. Lobach, Alexander I. Chernov, Anton V. Tausenev, Vitaly I. Konov, Evgueni M. Dianov "1.93 mm mode-locked thulium fiber laser with a carbon nanotube absorber", Optics Letters 33 (2008) 1336
[6] M. Chernysheva, A. Krylov, N. Arutyunyan, A. Pozharov, E. Obraztsova, E. Dianov "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, 20 (2014) 1101208
[7] A.?Y. Bykov, T.?V. Murzina, M.?G. Rybin, E.?D. Obraztsova "Second harmonic generation in multilayer graphene induced by direct electric current", Phys.?Rev. B 85 (2012) 121413 (R)
[8] Р.?А. Obraztsov, T. Kaplas, S.?V. Garnov, M. Kuwata-Gonokami, A.?N. Obraztsov, Yu.?P. Svirko "All-optical control of ultrafast photocurrents in unbiased graphene", Scientific reports 4 (2014) 4007
[9] S.Y. Set, H. Yaguchi, Y. Tanaka, M. Yablonski, Y. Sakakibara, A. Rozhin, M. Tokumoto, H. Kataura, Y. Achiba and K. kikuchi., Abstracts of OFC 2003 (USA), PDP44
[10] K.?S. Novoselov, A.?K. Geim, S.?V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S.?V. Dubonos, I.?V. Grigorieva, and A.?A. Firsov "Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films", Science 306 (2004) 666
[11] Q. Bao, H. Zhang, Yu Wang, Z. Ni, Y. Yan, Z.?X. Shen, K.?P. Loh and D.?Y. Tang "Atomic-Layer Graphene as a Saturable Absorber for Ultrafast Pulsed Lasers", Adv. Func. Materials 19 (2009) 3077
[12] Z. Sun, T. Hasan, F. Torrisi, D. Popa, G. Privitera, F.
[13] В.Р. Сороченко, Е.Д. Образцова, П.С. Русаков, М.Г. Рыбин, "Нелинейное пропускание графеном излучения СО2-лазера", Квантовая электроника, 42 (2012), 907-912
[14] M.G. Rybin, A.S. Pozharov, C. Chevalier, M. Garrigues, C. Seassal, R.Peretti, C. Jamois, P. Viktorovitch, and E. Obraztsova "Enhanced optical absorbance of CVD-graphene monolayer by combination with photonic crystal slab", Physica Status Solidi B 249 (2012) 2530