本发明涉及光开关领域，具体涉及双光束入射于锑量子点材料以利用光学非线性实现宽波段全光开关的方法。

背景技术：

光开关是一种用来对光信号进行状态转换或者逻辑操作的光学器件，在光信号处理及其系统集成领域有着广泛应用。一般地，光开关可分为机械光开关、电光开关、声光开关、全光开关等。机械光开关通过机械方式直接改变部分光路，电光开关通过外加电场改变介质材料的光学参数，声光开关通过外加超声波改变介质材料的光学参数，这三种光开关目前较为成熟。全光开关，亦称为光致光开关，一般利用光克尔效应所引起的交叉相位调制，使两束光形成耦合，达到用泵浦光控制信号光的目的。全光开关无需电光转换过程，因此具有较高的工作效率，且这种光-光相互作用机制有利于该类器件应用在光计算、光通信、光传感等多个领域。

目前实现全光开关的主要方法是利用非线性光学中的交叉相位调制效应，对此人们提出了若干种具体实施方案，其中包括基于m-z干涉仪的非线性相移全光开关。然而，这些器件结构相对复杂，加工精度要求高，制造成本也高，尚未实现理想的商业化应用。

本世纪石墨烯发现以来，低维纳米材料的各类物理化学性质成为人们的研究热点，其中就包括非线性光学性质的探究。不少研究结果表明，石墨烯、层状黑磷、层状过渡金属硫化物(如mos2、ws2)具有良好的光学非线性，包括可饱和吸收、反饱和吸收、空间自相位调制、空间交叉相位调制等效应。利用空间交叉相位调制，人们曾在mos2分散液体系中，成功实施了473nm激光控制532nm激光的光开关实验，为全光开关的实现提供了一种新的思路。

近年来第五主族元素(磷、砷、锑、铋)的低维纳米材料相关研究日益兴起，黑磷烯、砷烯、锑烯、铋烯的概念逐渐被提出，理论分析表明其具有类似于半导体材料的优异性质，且物性可通过材料结构来调控。经过人们的不断尝试和努力，二维层状锑烯和零维锑量子点已被成功制备出来，科学实验表明其具有极大的三阶极化率和极大的非线性折射率，很适合用于全光开关器件。

因此，本发明基于锑量子点分散液这种非线性光学材料，利用空间交叉相位调制效应，设计了一套光学元件组装方式，通过双光束入射实现了全光开关器件。其具有响应带宽大、结构简单、尺寸小，易集成，成本低廉等特点。

技术实现要素：

本发明的目的在于，克服上述现有光开关存在的缺点和不足，提供一种基于锑量子点光学非线性的宽波段全光开关的实现方法与装置，该方法具有结构精简、成本低廉的特点，且器件工作波段覆盖可见光及近红外通讯波段，具有良好的应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于锑量子点光学非线性的宽波段全光开关的实现装置，主要包括泵浦激光光源、信号激光光源、泵浦会聚透镜、信号会聚透镜、分束镜、锑量子点分散液(nmp分散液-n-甲基吡咯烷酮)、白色光屏、ccd相机。1-泵浦激光源、2-信号激光源、3-泵浦会聚透镜、4-信号会聚透镜、5-分束镜、6-盛有锑量子点分散液的比色皿、7-银镜、8-遮光板、9-光屏。所述泵浦激光泵浦激光自上而下出射，由泵浦会聚透镜会聚，透过分束镜后，竖直入射到盛有锑量子点分散液的比色皿上；所述盛有锑量子点分散液的比色皿，为横向放置，即通光面垂直于竖直方向；所述盛有锑量子点分散液的比色皿，固定于会聚后的泵浦激光的束腰附近±5mm处，即距离泵浦会聚透镜125±5mm位置处；所述信号激光水平出射，由信号会聚透镜会聚，经分束镜反射后，竖直入射到盛有锑量子点分散液的比色皿上；所述分束镜的放置角度可以微作调整，以使得信号激光与泵浦激光在比色皿上的入射光斑中心位置相重合；所述信号会聚透镜离锑量子点分散液的距离可以作适当调整，使得信号激光在比色皿上的会聚光斑大小与泵浦激光在同一位置的光斑大小接近，二者光斑直径的比例(信号光斑直径/泵浦光斑直径)控制在80％-120％范围内；所述白色光屏或ccd相机放置在盛有锑量子点分散液的比色皿后方，以接收透射光信号。

优选地，所述泵浦激光光源为近平行出射的单横模高斯光束，中心波长可选择但不限于1064nm。

优选地，所述信号激光光源为近平行出射的单横模高斯光束，中心波长可选择但不限于405nm、532nm、633nm、1342nm、1550nm。

优选地，所述泵浦会聚透镜为焦距等于125mm的氟化钙平凸透镜。

优选地，所述信号会聚透镜为焦距等于50mm的氟化钙平凸透镜。

优选地，所述分束镜为氟化钙平镜，其中一面镀有对泵浦激光高透的介质膜。

优选地，所述锑量子点为以共价键结合的锑原子组成的零维点状原子簇，其均匀分散于nmp(n-甲基吡咯烷酮)有机试剂中，盛装于透明玻璃容器内；所述锑量子点的浓度为0.06mg/ml；所述透明玻璃容器为长方形密闭容器，其材料包括但不限于石英。

优选地，所述ccd相机或光电转换器件的响应波长范围可覆盖但不限于400nm-2000nm。

基于锑量子点光学非线性的宽波段全光开关的实现方法，包括如下步骤：

(1)将锑量子点的nmp分散液盛装于比色皿中；

(2)泵浦激光由凸透镜会聚，透过分束镜后入射到盛有锑量子点分散液的比色皿；

(3)信号激光由另一凸透镜会聚，经相同分束镜反射后入射到盛有锑量子点分散液的比色皿；

(4)在样品后方放置光屏或ccd相机以接收光信号；

(5)改变泵浦激光的开关状态以控制信号激光的输出光斑。

原理上，在单横模泵浦激光入射下，锑量子点的有效折射率随泵浦光强在横截面上的空间分布而相应产生改变，由于信号激光的入射路径与泵浦光有相当大程度的交叠重合，因此能有效感受到这种折射率分布及由此引起的相位分布和波矢分布，即空间交叉相位调制效应，最终信号激光在远场发生干涉形成同心环图案。

改变泵浦激光的开关状态，得以控制信号激光的输出光斑在不同状态之间切换，实现全光开关操作。本发明实现方法装置简单，波段宽广，且成本低廉，适合于光学显示、光纤通讯、波前操控器件，以及相位调制带来的其它衍生应用。

有益效果：1)、本发明设计了一套光学元件组装方式，通过双光束交叠入射，实现了理想的空间交叉相位调制，进而通过泵浦光和信号光的双光束耦合实现了全光开关用途，其具有结构简单、成本低廉的优点。2)、本发明使用新型低维纳米材料锑量子点作为优质非线性光学介质，其具有适用波段广、材料寿命长的优点。3)、本发明在光学显示、光纤通讯、波前操控、集成光学器件，以及相位调制手段引申出的其它相关领域具有实际应用意义。

附图说明

图1是本发明所使用的锑量子点的透射电镜照片。

图2是本发明所使用的锑量子点粒径的数量分布统计。

图3是本发明所使用的锑量子点经过3个月时效前后的拉曼谱线。

图4是本发明实施例1中，全光开关只通入信号激光时的器件工作状态示意图。

图中标记说明：1-泵浦激光源、2-信号激光源、3-泵浦会聚透镜、4-信号会聚透镜、5-分束镜、6-盛有锑量子点分散液的比色皿、7-银镜、8-遮光板、9-光屏。

图5是本发明实施例1中，全光开关同时通入信号激光和泵浦激光时的器件工作状态示意图。

图6(a)-(e)是本发明实施例1至5中，全光开关只通入信号激光时，光屏或ccd相机所探测到的信号激光光斑。(a)-(e)分别对应于405nm、532nm、633nm、1342nm、1550nm的信号激光。

图6(f)-(j)是本发明实施例1至5中，全光开关同时通入信号激光和泵浦激光时，光屏或ccd相机所探测到的信号激光光斑。(f)-(j)分别对应于405nm、532nm、633nm、1342nm、1550nm的信号激光。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明的具体实施方式进行详细描述。以下实施例用于进一步说明本发明的内容，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种基于锑量子点光学非线性的宽波段全光开关的实现方法，具体步骤为：

1)将一台中心波长为1064nm且输出功率为1.1w的泵浦激光器按激光出射口朝下方向固定，在激光出射口正下方217mm位置安放一个焦距为125mm的氟化钙平凸透镜作为泵浦会聚透镜；

2)在泵浦会聚透镜正下方102mm位置安放一个镀有1064nm(45°)高透膜的氟化钙平镜作为分束镜，镜面法向与竖直方向成45°角；

3)在分束镜正左侧310mm处固定一台中心波长为405nm且输出功率低于10mw的信号激光器，激光出射口正对分束镜；

4)在分束镜和信号激光器之间，距离分束镜50mm处安放一个焦距为50mm的氟化钙平凸透镜作为信号会聚透镜；

5)在分束镜正右侧80mm处放置一块遮光板；

6)在分束镜正下方28mm处放置盛有锑量子点分散液的比色皿，其通光面的法线方向成竖直方向；所述锑量子点分散在nmp试剂中，锑量子点的浓度为0.06mg/ml；

7)在比色皿正下方40mm位置安放一个银镜，镜面法向与竖直方向成45°角；

8)在银镜正右侧230mm位置安放一个白色光屏；

9)仅开启405nm信号激光器，此时工作状态如图4所示，可用肉眼观察到光屏上出现一个点状的信号光斑；

10)同时再开启1064nm泵浦激光器，此时工作状态如图5所示，光屏上的信号光斑变为一系列同心环构成的图案；

11)通过泵浦激光器的开关操作，实现对信号激光两种光斑状态之间的切换控制，达到全光开关目的。

实施例2

与实施例1区别在于，步骤3)中的信号激光器中心波长为532nm。

实施例3

与实施例1区别在于，步骤3)中的信号激光器中心波长为633nm。

实施例4

与实施例1区别在于：

步骤3)中的信号激光器中心波长为1342nm；

步骤8)为，在银镜正右侧20mm位置安放一个可有效吸收1064nm激光的光学滤波片，在该光学滤波片正右侧22mm位置附近安放一个焦距为50mm的氟化钙平凸透镜，在该平凸透镜正右侧mm位置附近放置一个ccd相机；

步骤9)为，仅开启1342nm信号激光器，此时可通过ccd相机所连接的计算机显示屏观察到一个点状的信号光斑；

步骤10)为，同时再开启1064nm泵浦激光器，此时信号光斑变为一系列同心环构成的图案，调整ccd相机以及镜头前方平凸透镜的前后位置，使得计算机显示屏上的环状图案大小适中。

实施例5

与实施例4区别在于，步骤3)中的信号激光器中心波长为1550nm。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。