二维非碳材料在超快光子学中的应用研究综述

作者及发表信息
本文由Bo Guo（郭波）教授及其团队撰写，作者单位为哈尔滨工程大学教育部光纤集成光学重点实验室。文章*2D noncarbon materials-based nonlinear optical devices for ultrafast photonics [Invited]*于2018年2月10日发表于期刊*Chinese Optics Letters*（DOI: 10.3788/col201816.020004），是一篇特邀综述论文。

论文主题与背景
本文系统综述了以拓扑绝缘体（TIs）、过渡金属二硫化物（TMDCs）、黑磷（BP）等为代表的二维（2D）非碳材料在超快激光技术中的应用进展。超快激光在光通信、生物医学成像和工业加工等领域具有不可替代的作用，而实现超短脉冲的核心组件——可饱和吸收体（SAs）的性能优化是研究重点。传统半导体可饱和吸收镜（SESAMs）存在恢复速度慢（皮秒级）、窄波段操作等局限，而二维材料因具有超快载流子动力学、宽波段可饱和吸收和易于集成等特性，成为新一代SA的理想候选材料。文章旨在总结这些材料的制备技术、非线性光学特性、器件集成策略及激光应用的最新成果。

主要观点与论据

1. 二维非碳材料的非线性光学特性
   作者指出，二维材料的非线性效应（如克尔效应和可饱和吸收）是其应用于超快激光的核心机理。通过Z扫描和双光路测量技术，研究者量化了不同材料的非线性参数（如表1所示）。例如，黑磷（BP）在0.3–1.5 eV范围内具有厚度可调的带隙，其宽带三阶非线性响应覆盖可见光至中红外波段。文中特别强调了“泡利阻塞”（Pauli blocking）是二维材料可饱和吸收的主要物理机制，并通过拓扑绝缘体Bi₂Te₃的光学和微波可饱和吸收实验（图5）验证了这一理论。

2. 材料制备与器件集成策略
   文章对比了自上而下剥离（如机械剥离、液相剥离）和自下而上生长（如化学气相沉积CVD、脉冲激光沉积PLD）两种制备方法（图2）。液相剥离法（图3）可高产率制备单层或少层纳米片，但可能引入结构缺陷。器件集成方面，作者列举了五种方案（图6）：光纤连接头夹层法、微流控通道填充法、光子晶体光纤（PCFs）内嵌法、D型光纤/锥形光纤表面涂覆法。其中，锥形光纤方案因长相互作用距离和高功率耐受性备受关注，而PLD技术可制备均匀性优异的薄膜。

3. 超快激光器件的性能突破

   • 光纤激光器：基于二维材料的调Q和锁模激光器在0.6–3 μm波段实现了多项记录。例如：
     
     • 调Q激光：Bi₂Te₃ SA在1510.9–1589.1 nm波段实现了78.2 nm的可调范围，脉冲能量达1.525 μJ（表2）；黑磷SA在中红外（2 μm）激光中产生739 fs脉冲（图12）。
       
     • 锁模激光：WS₂ SA实现了67 fs的超短脉冲（表3），Bi₂Te₃ SA在2.95 GHz重复频率下输出45.3 mW平均功率。
       
     • 耗散孤子（DS）激光：Bi₂Se₃ SA支持脉宽46 ps、能量0.756 nJ的DS输出；WS₂ SA在1063.6 nm和1565.5 nm双波段实现21.1 ps脉宽（图11）。
       
   • 中红外激光：BP SA在3 μm波段的Er:ZBLAN光纤激光中实现了25.5 nJ的脉冲能量（图13），填补了传统SAs在该波段的空白。
     
   • 固体/盘片激光器：Nd:YAG激光器结合WS₂ SA在946.3 nm输出2.63 μJ能量（表7），Tm:LuAG激光器在2 μm波段脉冲能量达18.4 μJ。

4. 多波长与谐波锁模技术
   文章指出，二维材料的宽带非线性特性使其适用于多波长和谐波锁模。例如：

   • 四波长锁模激光（Bi₂Se₃ SA）在1567–1569.2 nm波段同步输出22 ps脉冲（表6）；
     
   • WS₂ SA支持双波长孤子（585 fs/605 fs）和脉冲簇现象（图14）；
     
   • BP量子点器件在1532/1556.25 nm实现双波长锁模，重复频率9.45 MHz。

论文价值与意义
本文首次全面梳理了二维非碳材料在超快光子学中的研究脉络，具有以下突出贡献：
1. 科学价值：系统性揭示了二维材料的非线性光学机理（如缺陷辅助子带隙吸收、边缘模式吸收），为后续理论研究提供了实验基础。
2. 技术突破：报道了多项性能纪录（如67 fs脉宽、3.27 GHz重复频率），验证了二维材料在宽波段、高功率激光器的应用潜力。
3. 跨领域启示：从材料制备（如PLD、CVD）、器件集成（如锥形光纤设计）到激光架构（如DS谐振腔），为光电子学、纳米技术和通信工程提供了交叉创新思路。

研究亮点
1. 材料多样性：涵盖TIs、TMDCs、BP等七类二维材料，对比其带隙工程与非线性响应差异。
2. 技术创新：提出“光纤-二维材料”异质集成方案（如PCFs填充、D型光纤涂覆），突破了SESAMs的固有局限。
3. 应用前瞻：首次报道BP在中红外激光（2–3 μm）的SA性能，为红外传感和医疗激光器开发开辟新途径。

（注：全文基于原文献数据，所有实验数据和图表引用自*Chinese Optics Letters*原文及参考文献。）