新型二维材料在固体激光器中的应用研究进展

本文主要介绍了二维可饱和吸收体材料在固体激光器中的应用与研究进展。简要介绍了新型二维材料的性质和优点。以石墨烯、拓扑绝缘体、过渡金属硫化物和黑磷等新型二维材料为例分析了它们在固体激光器中实现调Q或锁模的过程,展示了二维材料在脉冲固体激光研究中的重要应用前景。二维材料与固体激光器的结合,可进一步推进二维材料的研究,有望开发出大量新型固体激光器件并且作为基础光源应用于多个领域,推动相关领域的发展。     

基于二维材料异质结可饱和吸收体的超快激光器

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.     

基于二维纳米材料可饱和吸收体的中红外超快光纤激光器

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2μm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.     

低维半导体材料在非线性光学领域的研究进展

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.     

二维Janus原子晶体的电子性质

自从石墨烯问世以来,具有各种新奇特性的二维材料在光电设备、自旋电子器件和谷电子器件等领域受到越来越多的关注.其中,使用各种分子基团对石墨烯进行不对称官能化时出现的优异性质,引发了人们对其他具有不对称表面特性的Janus二维材料的研究.作为二维材料的重要衍生物, Janus二维材料(尤其是Janus过渡金属硫化物)已成为近年来的研究热点.实验和理论上均已证实这类材料由于具有镜面不对称性而拥有新颖的特性,例如强的Rashba效应和平面外压电极化,为其在传感器、制动器和其他机电设备中的应用提供了广阔的前景.本文综述了新兴的Janus二维材料(包括Janus石墨烯,各种Janus二维材料以及Janus二维范德瓦耳斯异质结)的最新研究进展,总结了Janus二维材料独特的电子性质和潜在的应用.最后,给出了对Janus二维材料进行下一步探索的结论和展望.     

MnPS_3可饱和吸收体被动锁模掺铒光纤激光器双波长激光

过渡金属硫代亚磷酸盐MnPS_3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MnPS_3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MnPS_3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.     

超高真空条件下分子束外延生长的单层二维原子晶体材料的研究进展

二维原子晶体材料具有与石墨烯相似的晶格结构和物理性质,为纳米尺度器件的科学研究提供了广阔的平台.研究这些二维原子晶体材料,一方面有望弥补石墨烯零能隙的不足;另一方面继续发掘它们的特殊性质,有望拓宽二维原子晶体材料的应用领域.本文综述了近几年在超高真空条件下利用分子束外延生长技术制备的各种类石墨烯单层二维原子晶体材料,其中包括单元素二维原子晶体材料(硅烯、锗烯、锡烯、硼烯、铪烯、磷烯、锑烯、铋烯)和双元素二维原子晶体材料(六方氮化硼、过渡金属二硫化物、硒化铜、碲化银等).通过扫描隧道显微镜、低能电子衍射等实验手段并结合第一性原理计算,对二维原子晶体材料的原子结构、能带结构、电学特性等方面进行了介绍.这些二维原子晶体材料所展现出的优异的物理特性,使其在未来电学器件方面具有广阔的应用前景.最后总结了单层二维原子晶体材料领域可能面临的问题,同时对二维原子晶体材料的研究方向进行了展望.     

新型过渡金属硫化物在超快激光中的应用

超快激光技术是目前激光乃至物理学和信息科学领域最活跃的研究前沿之一,在工业加工、生物医学和激光雷达等领域具有广泛应用。二维材料具有独特的物理结构及优异的光电特性,作为可饱和吸收体应用于超快激光器时,具备工作波段宽、调制深度可控和恢复时间快等优势。其中,过渡金属硫化物因具有带隙连续可调等特点,已成为二维材料研究领域的重点。本文从过渡金属硫化物的特性出发,介绍了可饱和吸收器件的制作方法,综述了基于新型过渡金属硫化物的超快激光器的研究进展,并对其发展趋势进行了展望。     

原子厚度的二维亚波长超透镜

超透镜（Metalens）是结合了超表面原理和超薄平板光学原理制作的一类自身尺度在亚波长范围内,能够对光波前进行重塑的新兴人工光学器件。二维范德华材料的出现为超透镜光学器件提供了丰富的材料选择以及功能调控方面的可能。以石墨烯、过渡族金属硫族化合物等为典型代表的二维材料归功于其层间相对较弱的范德华相互作用,可通过机械剥离、化学气相沉积等方法获得原子层厚度平整的单晶,天然满足超透镜材料厚度尺寸要求,其自身以及溶于溶剂形成的二维液晶材料均具有优异的电学、光学、机械、磁性等丰富的物理特性,且性能高度可调控,使得基于二维材料的超透镜除能满足传统透镜的特性功能外,还有望通过包括静电调控等方式得到具有可调控的新奇物理特性。因此,对基于二维材料的超透镜的发展现状进行总结,并结合其材料结构特性进行相关的展望对该行业的发展是十分迫切的。本综述主要围绕二维材料超透镜展开,概述了该类透镜的研究进展,包括二维层状材料以及二维液晶材料、二维材料超透镜的潜在应用前景,以及对二维超透镜这一新兴研究领域未来的发展方向进行了适当的总结与展望。     

相干叠加脉冲锁模激光器调制特性的研究

本文在理论上发现了相干叠加脉冲锁模激光器的调制特性,并对其进行了全面的分析和计算.对于相干叠加脉冲锁模激光器的脉冲压缩及调制特性给予了详尽的数值计算结果和清晰的物理图象的解释,并提出利用相干叠加脉冲锁模激光器的调制特性产生更短脉冲的可能性.     

飞秒抽运随机激光输出波形的可控性研究

本文基于随机激光的时域理论,研究了飞秒脉冲抽运下二维随机激光的辐射特性,并着重讨论了抽运脉冲的峰值强度、脉宽和脉冲波形对辐射光时域波形的影响.结果表明, 辐射光的时域波形强烈依赖于抽运光脉冲的参数,通过调整抽运方式可以控制辐射光的输出波形.数值模拟结果为研究随机激光输出波形的可控性技术提供了理论依据. 关键词： 激光物理 随机激光器 飞秒抽运 脉冲波形     

二硫化钨的制备、表征及其在全固态绿光脉冲激光器中的应用

二硫化钨(WS_2)因其具有带隙可调谐、载流子迁移率较高和吸收波段较宽等优异的光学特性,在脉冲激光器领域中有着广泛的应用。本文首先采用锂离子-插层法获得了WS_2纳米片溶液,通过超声、离心、旋涂、烘干等流程成功制备了性能优异的WS_2可饱和吸收体。其次,利用拉曼、AFM等方法对WS_2-SA进行了系统地表征分析,结果表明所制备的WS_2-SA表面薄膜是少层层状二维结构。最后,将WS_2-SA作为全固态绿光脉冲激光器的调Q器件,利用非线性光学晶体PPLN进行倍频,获得了稳定的被动调Q绿光脉冲激光输出。当吸收泵浦功率为6.66 W时,最大的平均输出功率为407.5 mW,输出脉冲宽度为360 ns,重复频率为1.16 MHz。     

二维过渡金属硫化物二次谐波:材料表征、信号调控及增强

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.     

石墨烯在光纤激光器中的应用

正1.引言石墨烯是一种由单层碳原子与其相邻原子通过SP2杂化方式紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构的新型碳质材料,已被证实可以应用于近红外及中红外波段的可饱和吸收体材料。目前该材料在光纤激光器中应用广泛,2004年,诺沃肖罗夫(K.Novoselov)等人首次采用机械剥离制备出具有单层结构的二维石墨稀材料,由于其优越的高比表面积、超高载流子迁移率、机械性能好等物理化学特性,已在光电     

铅卤钙钛矿法布里-帕罗谐振腔激光器

随着后摩尔时代的到来,对大容量、高速度信息处理的需求使得半导体器件应用由电子集成转向光子集成,高性能微纳激光器是实现光子集成的重要环节.种类丰富的半导体材料促进了半导体微纳激光器的快速发展,近年来,随着大量新型半导体材料(如二维半导体、铅卤钙钛矿等)的涌现,有望实现半导体微纳激光器性能的进一步提升.由于钙钛矿材料具有高光吸收、缺陷高容忍、激子结合能大等优异光学性质,使其成为高增益、低阈值半导体微纳激光器的优秀候选材料.法布里-珀罗(F-P)谐振腔激光器是钙钛矿激光器中研究广泛、结构简单、应用价值较高的一类激光器.本文以铅卤钙钛矿F-P谐振腔激光器为例,对其工作机理以及近年来的研究成果进行综述,从激子与光子弱耦合的光子激光和强耦合的极化子激光两个方面出发,详细介绍了钙钛矿材料既作为增益介质又作为谐振腔的F-P结构激光器以及仅作为增益介质的F-P腔激光器的激光的产生原理和影响因素,最后总结了钙钛矿F-P谐振腔激光器当前面临的挑战,展望了其进一步发展可能具备的前景.     

外光注入半导体激光器实现重复速率可调全光时钟分频

采用Fabry-Perot半导体激光器作为全光时钟分频器件,利用光注入半导体激光器产生的非线性动力学特性,实现了光脉冲的重复速率在9.0 GHz到19.8 GHz范围内连续可调的全光时钟分频. 同时利用半导体激光器速率方程,对脉冲光注入半导体激光器产生时钟分频进行了数值模拟. 实验和模拟结果表明半导体激光器在光注入的驱动下处于一周期振荡状态,当一周期振荡的二次谐波频率接近脉冲光的重复速率时,其二次谐波和基频被脉冲光同时锁定,此时将输出频率为脉冲光重复速率一半的时钟信号. 同时研究了波长失谐量和注入光功率对 关键词： 周期振荡 时钟分频 光注入 非线性动力学     

基于法布里-珀罗半导体激光器实现高重复频率光脉冲的时钟分频

实验研究了重复速率为6.32 GHz的光脉冲注人法布里-珀罗(Fabry-Perot)半导体激光器实现3.16 GHz光脉冲输出的时钟分频现象,讨论了 Fabry-Perot半导体激光器的偏置电流、注入光功率、注入光光谱以及光谱线宽等因素对时钟分频的影响.利用光注入半导体激光器产生的周期二振荡非线性动力学特性.实现了高重复速率光脉冲的时钟分频.研究表明,当注入光的光谱较窄且锁定Fabry-Perot半导体激光器某一纵模时,在较低的偏置电流和一定的注入光功率时,时钟分频才能发生.采用半导体激光器的速率方程.通过数值模拟,研究了半导体激光器的偏置电流和线宽增强因子以及注入光功率对时钟分频的影响,所得结果与实验结果相吻合.     

氩离子激光器的二次谐波锁模

本文给出了氩离子激光器的二次谐波锁模的原理和特性.在本文的实验方案中,在氩离子激光腔中,任何时间都存在两个光脉冲,而且模间隔提高了二倍,激光器的平均输出功率提高了二倍.理论上解译了实验现象.     

硼烯和碱土金属硼化物二维纳米材料的制备、结构、物性及应用研究

随着石墨烯研究的兴起,二维纳米材料得以迅速发展.在众多的二维纳米材料中,硼烯和碱土金属硼化物二维材料由于具有高费米速度、高杨氏模量、高透光性、高延展性、高度的各向异性、大的泊松比和高的化学稳定性等独特的性质,成为研究人员关注的焦点.本文侧重介绍目前硼烯和碱土金属硼化物二维纳米材料的制备工艺、结构、物性和应用情况.首先总结了目前硼烯的主要结构构型和制备及掺杂工艺;其次介绍了碱土金属硼化物二维纳米材料的理论结构构型和可能的制备路线;最后对硼烯和二维碱土金属硼化物纳米材料的物理特性进行归纳总结,同时预测它们未来最可能实现应用的领域.     

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

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:CaF_2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3.25μJ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.