《基于二维材料非线性效应的多波长超快激光器研究进展（特邀）》学术报告

作者及机构
本文通讯作者为哈尔滨工程大学纤维集成光学教育部重点实验室的郭波副教授（Bo Guo），其团队在二维材料光电器件和超快光纤激光技术领域具有丰富的研究经验。文章于2019年1月发表于期刊《Infrared and Laser Engineering》（《红外与激光工程》），DOI编号10.3788/IRLA201948.0103002，被引次数2次。

研究背景与科学意义
多波长超快激光器在光通信、生物医学诊断、光学传感等领域具有重要应用价值。传统实现多波长锁模需依赖复杂的外部滤波装置或主动调制技术，存在结构复杂、成本高、带宽受限等问题。2009年后，石墨烯（Graphene）、拓扑绝缘体（Topological Insulators, TIs）、过渡金属硫化物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDs）和黑磷（Black Phosphorus, BP）等二维材料因其独特的非线性光学特性（如宽带饱和吸收、高非线性折射率）成为超快光子学的研究热点。本文旨在系统梳理二维材料在多波长超快激光器中的应用进展，探讨其非线性效应对激光脉冲动力学演化的影响，并展望未来挑战与应用前景。

主要研究内容与核心观点

1. 二维材料的非线性光学特性

   • 材料类型与特性：石墨烯的“狄拉克锥”能带结构使其具备超快响应（~100 fs）和宽带饱和吸收；拓扑绝缘体（如Bi₂Se₃）表面存在金属性狄拉克态，其三阶非线性极化率高达10¹⁴ m²/W；TMDs（如MoS₂）的带隙可调谐性（1-2 eV）利于多波长调控；黑磷的各向异性赋予其中红外波段强光物质相互作用能力。
     
   • 非线性效应验证：通过Z扫描技术测得石墨烯在800 nm下的非线性吸收系数β为-1.52×10⁻² cm/GW，拓扑绝缘体Bi₂Te₃在1550 nm的饱和强度为10.12 GW/cm²（图5）。这些数据证实二维材料兼具饱和吸收和高非线性双功能特性。
     

2. 二维材料的器件化集成方法

   • 制备技术：包括机械剥离法（如透明胶带剥离石墨烯）、液相剥离法（超声分散+离心）、化学气相沉积（CVD）和脉冲激光沉积（PLD）。其中PLD技术可制备大面积均匀薄膜（图8）。
     
   • 器件集成：提出四种关键方案：(a) 光纤连接器间“三明治”结构（图8a）；(b) 光子晶体光纤微通道注入；© D型光纤/拉锥光纤倏逝场耦合（图8d-e）；(d) 自由空间吸收镜（如沉积于陶瓷基板）。
     

3. 多波长超快激光器的运转机制

   • 锁模机理：二维材料通过饱和吸收效应抑制模式竞争，同时其高非线性（如四波混频）促进多波长功率重分布。例如，石墨烯沉积的拉锥光纤器件可同时作为锁模器和双折射滤波器，实现四波长锁模（图10a-c）。
     
   • 脉冲类型：包括耗散孤子（Dissipative Soliton）、矩形脉冲（Rectangular Pulse）和亮-暗孤子对（Bright-Dark Soliton Pair）。黑磷饱和吸收体在1969/1979 nm双波长调Q激光器中实现脉冲能量39.5 μJ（表2）。
     

4. 研究进展与性能对比

   • 调Q激光器：基于石墨烯的掺铒光纤激光器在1566.¹⁷⁄₁₅₆₆.35 nm双波长下脉冲宽度低至1.67 μs（表2）；拓扑绝缘体Bi₂Se₃在固体激光器中实现74.2 mW输出功率（表2）。
     
   • 锁模激光器：WS₂沉积微光纤器件在1568.⁵⁵⁄₁₅₆₉ nm双波长锁模时重复频率2.14 MHz，脉冲能量6.63 nJ（表3）。还原氧化石墨烯（rGO）器件可产生75 ps超宽矩形脉冲（图12）。
     

研究的创新性与价值
1. 科学价值：系统性论证二维材料非线性效应与多波长激光生成的关联机制，提出“双功能器件”概念（饱和吸收+高非线性），为非线性光子学研究提供新平台。
2. 技术突破：开发低损耗集成工艺（如PLD沉积、光纤倏逝场耦合），解决了传统锁模器件带宽窄、调制深度不可调的问题。
3. 应用前景：多波长激光器在密集波分复用（DWDM）系统（图1a）、相控阵雷达（图1b）和双频光频梳（图1c）等领域具有明确的应用潜力。

亮点与挑战
1. 亮点：
- 首次总结二维材料在多波长激光中的双重作用（锁模与非线性的协同效应）。
- 提出拓扑绝缘体在中红外波段的非线性增强机制（图5i）。
2. 挑战：
- 二维材料薄膜的均匀性仍需提升（如机械剥离法产率低）。
- 高功率下热损伤阈值受限（如石墨烯在>1 GW/cm²时易氧化）。

未来方向
作者建议探索二维材料异质结（如石墨烯/MoS₂）以优化非线性响应，并开发片上集成多波长激光系统。

（全文约2200字）