锁相放大器OE1022D与斩波器OE3001在非线性光学研究中的应用

说明：本篇文章使用赛恩科学仪器OE1022D双通道锁相放大器、光学斩波器OE3001测量

【概述】

2021年9月，同济大学化学科学与工程学院的黄智鹏教授、张弛院士研究团队在材料学重要期刊Advanced Functional Materials上发表了题为“Giant Nonlinear Optical Absorption of Ion-Intercalated Tin Disulfide Associated with Abundant In-Gap Defects”的研究论文。该研究首次提出了一种电化学离子插层策略以便捷高效调控二维材料的非线性吸收性能，研究团队对层状SnS2纳米片进行系列碱金属离子(Li+, Na+, K+)的电化学插层，发现离子插层产物均体现出显著提升的非线性吸收性能。

非线性光学是激光脉冲产生、非线性光学成像、光开关和光限幅等超强激光相关应用的关键基础光学过程，制备高性能非线性光学吸收材料具有重要的科学价值和实际应用前景。

【测量方法与部分实验结果】

研究团队首先通过化学浴沉积法在环境中合成SnS2纳米片，将SnCl2·2H2O和硫乙酰胺溶于乙醇中形成溶液，然后将掺氟氧化锡(FTO)基底浸入溶液中，在48°C下沉积3小时，随后用去离子水和乙醇冲洗，并在60°C的真空中干燥，得到均匀覆盖在FTO基底上的离子 插层SnS2纳米片。

研究团队为了研究离子插层SnS2纳米片在不同激光激发下的非线性光学特性，设计了一个泵浦-探测装置，该装置通过使用800nm激光作为泵浦光束和探测光束，来测量材料对激光的非线性吸收响应。泵浦光束和探测光束之间的夹角为5度。在泵浦光束中插入了一个斩波器OE3001(赛恩科学仪器)以产生规律的光强度变化。通过样品的探测光束的强度被一个光电二极管采集，该二极管连接到锁相放大器OE1022D(赛恩科学仪器)。当探测光通过样品后，其强度会因为泵浦光的影响而发生变化，锁相放大器可以检测探测光的微弱变化，并将其与切光器产生的已知调制信号进行比较，检测出非常小的非线性光学效应。图1展示了泵浦-探测实验的原理和实验结构图。

图1. (a)泵浦-探测原理示意图 (b)异步光学采样示意图 (c)使用锁相放大器的泵浦-探测光路示意图。

泵浦-探测实验的结论如图2所示，对比c1和c2可以发现对于原始SnS2样品，衰减曲线是对称的，表明其反饱和吸收(RSA)是一个瞬时过程，即纯粹的双光子吸收过程，在激光脉冲作用下，电子直接从价带被激发到导带，而没有涉及激发态的中间步骤。对于Li0.952SnII0.398SnIV0.563S2(锂离子插层SnS2)，衰减曲线是不对称的，表明其光学非线性应归因于一个连续过程，即激发态吸收(ESA)，在激光激发下，电子可能首先被激发到带隙中的缺陷态，然后进一步被激发到导带中，涉及了激发态作为中间步骤。因此通过泵浦-探测实验可以确定SnS2及其离子插层材料的RSA特性是由激发态吸收引起的。

研究团队进一步分析了缺陷调控非线性吸收过程的机理。图2(d1)描述了SnS2在不同激光激发下的非线性光学响应。原始SnS2的响应与价带到导带的直接跃迁相关，涉及双光子或三光子吸收。图2(d2)离子插层SnS2在激光激发下电子从价带到导带的跃迁过程，以及带隙缺陷态在激发态吸收中的作用。这些缺陷态在激光激发下增强了Pauli阻塞效应，导致了其在800 nm和1030 nm激光下增强的反向饱和吸收。

图2. (c1,c2) 泵浦探测曲线，(d1,d2) 缺陷调控非线性吸收过程的机理。

【总结】

文章通过电化学离子插层策略合成了Li0.952SnII0.398SnIV0.563S2材料，通过泵浦-探测实验可以确定SnS2及其离子插层材料的RSA特性是由激发态吸收引起的。该项研究不仅显示了离子插层材料可作为新型高性能非线性光学材料，还提供了一种构建高性能非线性光学材料的有效策略。

【参考文献】

Zhipeng Huang, Chi Zhang, et al. Giant Nonlinear Optical Absorption of Ion-Intercalated Tin Disulfide Associated with Abundant In-Gap Defects. Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2106930.