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低维材料非线性光学与器件

低维材料非线性光学与器件专题编者按

DOI: 10.7498/aps.69.180101

          2004 年, 石墨烯的首次发现为具有独特光子和光电特性的二维材料的发展打开了大门. 二维材料通常被称为原子薄层材料, 其厚度可减至单层或几层. 强的层内共价和弱的层间范德瓦耳斯力是二维材料的典型特征. 不同厚度和电子结构的二维材料使其可以在紫外到太赫兹的波长范围内进行光学响应, 极大地扩展了二维材料在光子学领域的应用范围. 二维材料还具有优异的光子特性, 如泡利阻塞诱导的饱和吸收、超快的弛豫时间和高度的光学非线性, 为其在光子学领域广泛的应用奠定了基础. 由于原子层的二维材料具有机械稳定性和表面自然钝化的特点, 可无选择性地牢固地集成到其他结构中, 如平面波导、玻璃纤维、光学微腔和其他二维层状结构, 而不会出现“晶格失配”问题. 此外, 二维材料的光学性质可以通过电选通、光激励、或化学掺杂来精确控制. 二维材料的这些优点奠定了其在集成光子学领域不可动摇的地位. 目前, 许多不同的二维材料已被成功应用于各种光子器件, 包括光调制器、光探测器、饱和吸收体和光开关. 制备高质量的材料, 设计器件的结构,充分发挥二维材料的非线性光学、高载流子迁移率和各向异性等特性, 是获得高性能器件的必要条件. 作为 21 世纪最热门研究课题之一, 基于二维材料的光子学应用正朝着高性能、高质量和高集成度方向发展.

        应《物理学报》编辑部的邀请, 我们邀请了部分活跃在研究二维材料集成光子学的第一线的中青年科学家, 组织了本期的专题. 鉴于二维材料和光学属于交叉学科, 具有多样性及复杂性的特点,本专题只能重点介绍二维材料和非线性光学领域的部分研究成果, 与读者和同行分享. 本期专题文章大致分成如下几方面: 1) 低维半导体材料及其异质结在非线性光学和激光器领域的研究进展;2) 二维材料在全光器件的研究进展和发展前景; 4) 等离激元纳米材料在超快光开关和脉冲激光方面的应用进展; 5) 二维过渡金属硫化物在二次谐波中的研究现状; 6) 太赫兹半导体激光光频梳研究进展; 7) 二维纳米材料及其衍生物在激光防护领域中的研究进展; 8) GeSe2、MnPS3、Ag@SiO2、铋纳米片、碳纳米管在非线性光学和光子器件中的应用等.

         本专题汇总了低维材料在非线性光学领域和光子器件应用的研究现状, 并对低维材料集成光子学的发展前景进行了展望. 我们衷心地希望本专题能有助于海内外华人学者对该领域的进一步了解, 吸引更多年轻学者的关注和加入, 为低维材料在光子学领域的实际应用和产业化发展增添新生力量.

客座编辑:深圳大学 张晗; 中国科学院上海光学精密机械研究所 王俊; 北京航空航天大学 张梦
物理学报.2020, 69(18).
二维纳米材料及其衍生物在激光防护领域中的应用
刘志伟, 张斌, 陈彧
2020, 69 (18): 184201. doi: 10.7498/aps.69.20200313
摘要 +
为了实现同步防护脉冲激光和连续波或准连续波激光的攻击, 人们在过去几十年间已经投入了大量的人力和物力来研发高性能光限幅材料. 石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷等二维纳米材料拥有许多优异独特的性质, 激发了全世界的广泛研究兴趣. 本文简要回顾了基于石墨烯、黑磷、过渡金属硫化物和钙钛矿等最具代表性的二维材料及其有机/高分子衍生物在激光防护领域中的研究进展、存在的亟待解决的关键科学问题和未来的发展趋势. 为了充分利用这些二维纳米材料的优点, 人们可以使用功能小分子或聚合物与它们进行共混掺杂, 制备复杂的多相材料体系, 也可以将可溶性的有机/高分子共价功能化的二维纳米材料掺杂于高分子基质中形成主客体复合材料, 这些制备方法有助于促进或提高整个体系的光限幅能力. 总而言之, 一个优化的复杂的多组份纳米材料体系能极大地增强光限幅器件的性能和适应性. 此外, 开展二维纳米材料和它们的衍生物在不同固体基质中展现出来的光物理和光子性质研究, 将有助于在分子水平上实现对这些纳米材料的改性.
二维过渡金属硫化物二次谐波: 材料表征、信号调控及增强
曾周晓松, 王笑, 潘安练
2020, 69 (18): 184210. doi: 10.7498/aps.69.20200452
摘要 +
二维过渡金属硫化物(transition metal dichalcogenides, TMDCs)由于可实现从间接带隙到直接带隙半导体的转变, 能带宽度涵盖可见光到红外波段, 及二维限域所带来的优异光电特性, 在集成光子以及光电器件领域受到了广泛的关注. 最近随着二维材料基础非线性光学研究的深入, 二维TMDCs也展现出了在非线性光学器件应用上的巨大潜能. 本综述聚焦于二维层状TMDCs中关于二次谐波的研究工作. 首先简述一些基本的非线性光学定则, 然后讨论二维TMDCs中原子层数、偏振、激子共振、能谷等相关的二次谐波特性. 之后将回顾这些材料二次谐波信号的调制及增强工作, 讨论外加电场、应变、表面等离激元结构、纳米微腔等方法和手段的影响机理. 最后进行总结和对未来本领域工作的展望. 理解二维TMDCs二次谐波的产生机制及材料自身结构与外场调控机理, 将对未来超薄的二维非线性光学器件的发展产生深远的意义.
低维半导体材料在非线性光学领域的研究进展
白瑞雪, 杨珏晗, 魏大海, 魏钟鸣
2020, 69 (18): 184211. doi: 10.7498/aps.69.20200206
摘要 +
自从第一台红宝石激光器发明以来, 研究人员将目光集中到激光这种普通光源达不到的强光上, 由此发现了非线性光学材料以及一系列丰富多彩的相关特性—饱和吸收、反饱和吸收和非线性折射等, 并将其运用到光电子器件、光开关器件和光通信当中. 同时, 随着工业生产对于器件集成度需求的提升, 以普通三维材料为基础的器件已经难以达到应用要求, 低维半导体器件的兴起将有望解决这个问题. 所以, 将非线性光学与低维半导体材料相结合是未来发展的重要趋势, 量子点、量子线激光器和放大器的涌现也印证了这一点. 本文通过对准零维量子点材料、准一维纳米线材料和二维纳米材料非线性光学前沿工作进行总结, 为今后的研究提供参考. 但是, 低维材料由于稳定性、填充比例较低等问题, 还需要进一步的研究以满足实用需求.
基于二维材料的全光器件
徐依全, 王聪
2020, 69 (18): 184216. doi: 10.7498/aps.69.20200654
摘要 +
近年通信技术的飞跃, 对光学设备的紧凑性、响应速度、工作带宽和控制效率提出新的挑战. 石墨烯的发现, 使得二维材料飞速发展, 不断涌现出一系列新材料, 如MXene、黑磷、过渡金属硫化物等. 这些新型二维材料有着出色的非线性光学效应、强光-物质交互作用、超宽的工作带宽. 利用其热光效应、非线性效应并结合光学结构, 能够满足光通信中超快速的需求. 紧凑、超快、超宽将会是未来二维材料全光器件的标签. 本文重点综述基于二维材料的热光效应与非线性效应的全光器件, 介绍光纤型的马赫-曾德尔干涉仪结构、迈克耳孙干涉仪结构、偏振干涉结构以及微环结构, 最后阐述并回顾最新的进展, 分析全光器件面临的挑战和机遇, 提出全光领域的前景与发展趋势.
基于二维纳米材料可饱和吸收体的中红外超快光纤激光器
张倩, 金鑫鑫, 张梦, 郑铮
2020, 69 (18): 188101. doi: 10.7498/aps.69.20200472
摘要 +
以石墨烯为代表的二维纳米材料可饱和吸收体以其独特的非线性光学特性被广泛应用于超快光纤激光器. 本文总结了近年来二维纳米材料作为可饱和吸收体在中红外超快光纤激光器中的研究发展, 介绍了二维纳米材料原子结构、非线性光学特性、可饱和吸收体器件集成方式, 及其在中红外超快光纤激光器中的应用, 重点阐述了基于黑磷可饱和吸收体实现的2 μm飞秒光纤激光器, 并对二维纳米材料可饱和吸收体在中红外超快光纤激光器中的发展与挑战进行了展望.
基于二维材料异质结可饱和吸收体的超快激光器
龙慧, 胡建伟, 吴福根, 董华锋
2020, 69 (18): 188102. doi: 10.7498/aps.69.20201235
摘要 +
可饱和吸收体作为非线性光学行为的物质载体, 是获得超快激光的关键材料. 基于石墨烯、过渡金属硫化物、拓扑绝缘体、黑磷等二维材料为代表的可饱和吸收体具有不同的光学优点, 但仅依赖某一方面光学优势的单一材料, 很难避免其应用的局限性. 通过异质结结构结合不同二维材料的优势, 达到光学互补效应, 为制备高性能的新型可饱和吸收体, 实现短脉宽高峰值功率的输出提供了思路和借鉴. 本文总结了异质结可饱和吸收体的制备方法、能带匹配模型、电子跃迁机理, 并从工作波长、输出脉宽、重复频率、脉冲能量等重要参数对国内外基于二维材料异质结激光器的研究进展进行了综述, 此外, 对二维材料异质结在光调制器、超快激光、可饱和吸收体、光开关等方向的发展前景进行了展望.
基于等离激元纳米结构非线性响应的超快光开关及脉冲激光器
张多多, 刘小峰, 邱建荣
2020, 69 (18): 189101. doi: 10.7498/aps.69.20200456
摘要 +
非线性光学作为现代光学的一门重要分支, 在各个领域都有着重要的研究意义和应用价值. 然而, 受限于材料固有的非线性极化率和与外来光场的有限作用长度, 其非线性光学响应很弱. 等离激元纳米结构可以将外来光场束缚在纳米结构周围, 在光谱共振局域空间内形成一个巨大的电磁场增强, 从而极大地促进光与物质的相互作用, 提高了非线性光学响应. 超快脉冲激光由于其优异的性能已经广泛应用于光通信、精密测量、生物医学、军用激光武器等重要领域, 虽然商用的激光器已经发展得非常成熟, 可以达到超高的峰值功率、超短的脉宽以及超高的重频, 但是在中远红外波段的超快脉冲研究仍然是一个缺口, 所以寻找一种性能优异的可饱和吸收体材料对于脉冲激光的发展具有重要的意义. 本文综述了基于贵金属和非贵金属的等离激元纳米结构在超快光开关和脉冲激光方面的应用进展. 很多宽禁带半导体, 通过掺杂可以表现出类似金属的性质, 由于掺杂可以形成自由载流子, 当其尺寸在纳米尺度时, 就会表现出局域表面等离激元共振的特性, 从而实现超快的非线性光学响应, 并且掺杂的载流子浓度不能达到金属载流子的浓度, 可以有效减小过高载流子引起的带间损耗. 通过泵浦探测和Z扫描测试发现, 这些等离激元纳米结构在红外波段表现出超快的非线性光学响应以及宽带可调的性质, 可以产生几百飞秒量级的脉冲激光, 表明它们在超快光子学领域有很大的应用前景. 最后总结了不同体系等离激元材料的优势和不足, 展望了未来的发展和需要改进的工作.
太赫兹半导体激光光频梳研究进展
廖小瑜, 曹俊诚, 黎华
2020, 69 (18): 189501. doi: 10.7498/aps.69.20200399
摘要 +
光频梳由一系列等间距、高稳定性的频率线组成. 由于具有超高频率稳定性和超低相位噪声, 光频梳在精密光谱测量、成像、通信等领域具有重要应用. 在太赫兹波段, 基于半导体的电抽运太赫兹量子级联激光器具有大功率输出、宽频率覆盖范围等特点, 是产生太赫兹光频梳的理想载体. 本文主要介绍基于太赫兹半导体量子级联激光器光频梳的研究进展, 详细列举了自由运行、主动稳频和被动稳频模式下产生光频梳的方法. 双光梳光谱可以克服传统太赫兹光谱仪需要机械扫描系统而难以实现实时光谱检测的难题, 是光频梳应用的主要方向. 在光频梳基础之上, 本文还介绍了采用两个太赫兹量子级联激光器产生双光梳的方法和应用.
基于铋纳米片可饱和吸收被动调Q中红外单晶光纤激光器
郝倩倩, 宗梦雨, 张振, 黄浩, 张峰, 刘杰, 刘丹华, 苏良碧, 张晗
2020, 69 (18): 184205. doi: 10.7498/aps.69.20200337
摘要 +
铋纳米片作为一种新型二维材料, 具有合适的带隙、较高的载流子迁移率和较好的室温稳定性, 加上优异的电学和光学特性, 是实现中红外脉冲激光的有效调制器件. 中红外单晶光纤兼备晶体和光纤的优势, 是实现高功率激光的首选增益介质. 本文采用超声波法成功制备了铋纳米片可饱和吸收体, 并首次将其用于二极管抽运Er:CaF2单晶光纤中红外被动调Q脉冲激光器中. 在吸收抽运功率为1.52 W时, 获得平均输出功率为190 mW的脉冲激光, 最窄脉冲宽度为607 ns, 重复频率为58.51 kHz, 对应的单脉冲能量和峰值功率分别为3.25 μJ和5.35 W. 结果表明, 使用铋纳米片作为可饱和吸收体, 是实现结构紧凑的小型中红外单晶光纤脉冲激光的有效技术途径.
MnPS3可饱和吸收体被动锁模掺铒光纤激光器双波长激光
俞强, 郭琨, 陈捷, 王涛, 汪进, 史鑫尧, 吴坚, 张凯, 周朴
2020, 69 (18): 184208. doi: 10.7498/aps.69.20200342
摘要 +
过渡金属硫代亚磷酸盐MnPS3是三元含磷二维材料, 具有新颖的光电特性. 采用化学气相传输方法生长MnPS3单晶, 结合机械剥离方法制备可饱和吸收体光纤调制器件. 以MnPS3可饱和吸收体构建掺铒光纤环形激光器, 实现脉冲间隔为196.1 ns, 脉冲宽度为3.8 ns, 最高输出功率为27.2 mW, 1565.19 nm和1565.63 nm双波长锁模脉冲激光输出, 实现280 h以上高稳定自启动双波长锁模输出.
GeSe2中强各向异性偏振相关的非线性光学响应
欧阳昊, 胡思扬, 申曼玲, 张晨希, 程湘爱, 江天
2020, 69 (18): 184212. doi: 10.7498/aps.69.20200443
摘要 +
二硒化锗(GeSe2)作为一种层状IV-VI族半导体, 具有面内各向异性结构及宽能带间隙, 表现出了独特的光、电及热学性能. 本文利用偏振拉曼光谱和线性吸收谱分别对GeSe2纳米片的晶轴取向和能带特性进行表征, 并以此为依据采用微区I扫描系统研究了GeSe2在共振能带附近的光学非线性吸收机制. 结果表明, GeSe2中非线性吸收机制为饱和吸收与激发态吸收的叠加, 且对入射光偏振与波长均有强烈的依赖. 近共振激发(450 nm)条件下, 激发态吸收对偏振的依赖程度比较大, 随着入射光偏振的不同, 非线性调制深度可由4.6%变化至9.9%; 而非共振激发(400 nm)时, 该调制深度仅由7.0%变化至9.7%. 同时, 相比于饱和吸收, 激发态吸收的偏振依赖程度受远离共振激发波长的影响而变化更大.
偏振动态可调耗散孤子光纤激光器实验研究
赵畅, 黄千千, 黄梓楠, 戴礼龙, SergeyevSergey, RozhinAleksey, 牟成博
2020, 69 (18): 184218. doi: 10.7498/aps.69.20201305
摘要 +
实验搭建了一台基于碳纳米管的耗散孤子光纤激光器, 研究了耗散孤子的动态偏振特性. 在160 mW的抽运功率下, 得到了稳定的单脉冲耗散孤子. 通过调整腔内的偏振控制器, 得到了庞加莱球上为固定点形式吸引子的偏振锁定矢量耗散孤子. 单向机械调节腔内偏振控制器可以调控偏振锁定吸引子向极限环吸引子的演化, 且实现极限环区域可控. 对比不同偏振吸引子下的偏振度发现, 偏振度的高低和偏振吸引子覆盖区域面积成反比. 因此, 可以通过偏振度的大小定量地判断吸引子是否为偏振锁定. 该工作对于研究新型偏振可调激光器、探索激光器的物理机制具有指导意义.
Ag@SiO2耦合结构设计及其对薄膜太阳电池的响应调控
宫步青, 陈小雨, 王伟鹏, 王治业, 周华, 沈向前
2020, 69 (18): 188801. doi: 10.7498/aps.69.20200334
摘要 +
Ag@SiO2纳米耦合结构同时具有等离激发和衍射散射特性, 可有效调控光波的行进路径和能量分布, 在薄膜太阳电池陷光领域极具潜力. 本文基于时域有限差分方法和严格耦合波分析, 建立三维电磁仿真模型, 研究Ag@SiO2耦合结构对非晶硅电池光谱响应的调控机理, 通过优化设计, 得到高陷光电池器件. 结果表明: 当Ag和SiO2特征尺寸分别为18和150 nm时, 共振波和衍射波达到最优耦合, 通过耦合结构进入电池响应层的透射光谱最大, 相应量子效率显著增强. 与同尺寸的平面电池相比, 其光电转换效率从7.19%提高到7.80%, 相对提高了8.48%.