基于二維納米材料的超快脈沖激光器*

王聰 劉杰? 張晗

1) (山東師范大學物理與電子科學學院,濟南 250014)

2) (深圳大學物理與光電工程學院,深圳 518060)

1 引 言

超短脈沖激光在工業、軍事等領域具有較大的需求,并可用于激光微加工[1]、太赫茲產生[2]、光成像[3]和超連續譜產生[4].目前,工業上主要以光纖激光器和固體激光器為主,光纖激光器結構簡單、成本低、穩定性好,固體激光器輸出能量大、峰值功率高、光束質量好,兩種激光器均具有各自的優勢,可根據現實需要進行選擇.目前,獲得超短脈沖激光的方式主要有兩種: 一種是在諧振腔中插入飽和吸收體[5],另一種是利用光纖中的非線性效應(非線性偏振旋轉或非線性放大環形鏡)[6].在商業系統領域,普遍使用的飽和吸收體是半導體飽和吸收鏡(semiconductor saturated absorption mirror,SESAM),在過去的幾十年間,SESAM得到了迅速發展,實現了商業化,并在光纖激光器、固體激光器和薄片激光器等領域均有應用.然而,SESAM需要通過特定的設計,才能實現特定波段鎖模,并且無法實現寬波段鎖模,損傷閾值低,成本高,制備流程復雜,這些缺點限制了SESAM的發展.對于采用非線性偏振旋轉效應實現的激光器,容易受光纖波動的影響,無法實現自適應脈沖產生,因此,探索新型飽和吸收體來實現超短脈沖激光,仍是一個值得研究的課題.

近幾年,二維材料的出現使得超快激光器得到了迅速的發展,二維材料指的是原子層狀材料,它的厚度可以為單層或者幾層,具有較強的層內共價鍵和較弱的層間范德瓦耳斯力,在沒有層間相互作用的干擾下,電子的運動局限在二維系統內,這導致二維材料具有許多新穎的電學特性和光學特性.二維材料中,石墨烯是最先被發現的單原子層材料,具有非凡的力、熱、電、光等特性,在鮑橋梁教授和張晗教授的不斷努力下,首次實現了基于石墨烯的超快脈沖激光[5],由此打開了二維材料和超快激光器相結合的大門,為超短脈沖激光技術發展注入了新的活力和動力.隨后,拓撲絕緣體(topology insulators,TIs)、過渡金屬硫化物(transition metaldichalcogenides,TMDs)、黑磷 (black phosphorus,BP)、類黑磷材料、MXene和鈣鈦礦等二維材料被相繼報道(圖1[7]),促進了超快激光的發展,取得了許多突出的成就.

圖1 不同類型的二維納米材料示意圖[7]Fig.1.Schematic illustration of different kinds of typical ultrathin two-dimensional nanomaterials [7].

本文首先報道了二維材料的制備技術、非線性特性測量技術以及二維材料與腔體的耦合方式,然后總結了基于二維材料的鎖模和調Q激光器的激光特性,并對激光器的工作波長、重復頻率和脈沖寬度等性能指標進行了討論,最后探討了基于二維材料的超快激光器的發展趨勢并給出了相關結論,有理由相信,在二維材料的推動下,超快激光技術的發展將呈現出良好的前景.

2 二維材料的簡介、制備、非線性測試、耦合方法

2.1 二維材料的光電特性

石墨烯是最先被發現的二維材料,它是一種扁平的單層碳原子,緊密排列成二維蜂窩狀晶格,是碳元素的同素異形體,是石墨的基本組成部分(圖2(a)[8]).單層石墨烯對入射的弱光有2.3%的吸收,在室溫下的電子遷移率高達15000 cm2·V–1·s–1,由于石墨烯具有非線性光學特性和零帶隙結構(圖2(b)[8]),石墨烯能在可見光到紅外波段實現寬帶光響應.2004年,石墨烯通過機械剝離法成功制得[9],并迅速成為最有潛力的光電子材料.由于石墨烯具有寬帶吸收、超快響應和飽和吸收等特性,在2009年首次應用于鎖模激光器[5],從此拉開了二維材料和超快激光相結合的大門.

TMDs是一種半導體材料,其通式為MX2,其中M是過渡金屬元素,例如Mo,W;X是氧屬元素,例如S,Se,Te.TMDs的每一層可看成是三明治結構,兩層X元素夾著一層M元素,層與層之間通過范德瓦耳斯力相互作用在一起,其種類較為豐富,目前已報到的有MoS2,WS2,MoSe2,WSe2,MoTe2,WTe2等.圖2(c)和圖2(d)表示的是MoS2的原子結構和帶隙結構[8],在體態下,它們是一種具有間接帶隙的半導體,當材料為單層狀態時,能帶變為直接帶隙.目前,實驗上已證明TMDs的帶隙可通過控制材料的層數來進行調節,這一特性拓寬了TMDs在光電子學的應用領域.2013年,過渡金屬硫化物MoS2首次應用于超快激光.

TIs是一種狄拉克材料,目前已報到的有Bi2Te3,Bi2Se3和Sb2Te3,它們在體態上是絕緣體,帶隙為0.2—0.3 eV,但表面是無能隙的,可導電,TIs的帶隙可通過改變厚度和制成異質結的方式來進行調節,圖2(e)和圖2(f)展示了Bi2Se3二維材料的晶體結構和能帶結構[10].另外,TIs還具有寬帶吸收特性,在2012年,拓撲絕緣體(Bi2Te3)作為飽和吸收體首次應用于超快激光[11],從此以后其他的TIs也紛紛被發現,并應用于各個波段的超快激光.

BP是一種直接帶隙半導體,在1960s年首次合成[12],近幾年,單層BP被成功制備[13],由于其具有帶隙可調、高載流子遷移率、各向異性等特性,引起社會各界的廣泛關注,通過改變BP的層數,可控制其帶隙(0.3—2.2 eV).圖2(g)和圖2(h)表示的是BP的原子結構和帶隙結構[8],BP的帶隙填補了石墨烯和TMDs之間的空白.2015年,在1550 nm波段,BP首次應用于鎖模激光器[14].

圖2 石墨烯(a),(b) [8],MoS2 (c),(d) [8],Bi2Se3 (e),(f) [10]和BP (g),(h)[8]的原子結構和帶隙結構Fig.2.Atomic structures and band structures of graphene (a),(b) [8],MoS2 (c),(d) [8],Bi2Se3 (e),(f)[10] and BP (g),(h)[8].Reprinted by permission from Ref.[8].Copyright 2014 Nature Publishing Group.Reprinted by permission from Ref.[10].Copyright 2009 Nature Publishing Group.

2.2 二維材料的制備方法

目前,制備二維材料主要有兩種方法: 自上而下法和自下而上法(圖3).自上而下法通過破壞二維材料層間的范德瓦耳斯力來制備單層或少層的二維納米材料,包括機械剝離法、液相剝離法等方法.自下而上法是通過化學手段在分子級別形成二維納米材料,包括化學氣相沉積法、分子束外延法、水熱法、脈沖磁控濺射法、脈沖激光沉積法等.在超快激光應用方面,廣泛應用的二維材料制備方法是機械剝離法、液相剝離法和化學氣相沉積法,接下來會對這三種方法進行重點介紹.

自Geim和Novoselov發現石墨烯以來[9],機械剝離法被廣泛的應用,并將其用來制備TIs[15]和BP[16].機械剝離法是用膠帶將塊狀材料剝離成單層或少層的納米材料,這種方法易操作,也較為容易獲得高質量和低缺陷的納米材料,該方法適合用于基礎研究領域,它的短板在于產量有限,而二維材料的產量也是一個較為重要的考慮因素.對于液相剝離法來說,它是一種物理方式,通過利用高強度的超聲來產生微氣泡,并不斷破壞材料層間的范德瓦耳斯力,然后再通過離心方式來去除未剝離的納米材料,來制備單層或少層二維納米材料,這是一種有效且可行的方法,但是單層、大尺寸的納米材料產量相對較低.化學氣相沉積法是合成高質量二維材料一種重要的方法,通常來說,把所需的氣態或粉末狀的反應物置于反應室,在特定的化學反應和合適的條件下,便可獲得二維材料.當把基底放入反應室,二維材料可直接在基底上進行生長.相比于液相剝離法和機械剝離法,通過化學氣相沉積法制備的二維材料,它們的層數可以通過調整反應參數來進行控制[17],質量和產量均有了一定的保證,有望用于商業化生產二維材料,但其成本和制備流程需要進一步優化.

圖3 二維材料的制備方法Fig.3.Fabrication methods of two-dimensional materials.

2.3 二維材料的非線性測試

二維材料的非線性光學特性在光子學和光電子學具有較大的潛力,特別是利用材料的飽和吸收特性來實現超短脈沖激光.目前,許多二維材料被用作飽和吸收體來實現鎖模激光,例如石墨烯、TIs、TMDs和BP.飽和吸收體有3個重要的參數,分別是調制深度(as)、飽和強度(Isat)和非飽和損耗(ans),通過以下公式便可描述吸收系數(a)和光強(I)的關系[5]:

對于二維材料非線性光學特性的測量手段,主要有以下兩種方式:Z-scan測量法和雙臂測量法.Z-scan測量法的實驗裝置如圖4(a)所示[18],一個皮秒或飛秒光源被一個分束器分成兩路: 測量光路和參考光路,在參考光路,通過探測器(detector2)來測量光強,在測量光路,脈沖光被透鏡聚焦到待測樣品上,待測樣品安裝在一個平移臺上,可沿著光的方向前后移動.樣品在移動的過程中,在樣品上的脈沖光的光斑也會隨著變化,從而造成能量密度的變化,透過樣品后的光通過探測器(detector1)來測量.在探測器(detector1)前若沒有光圈,這種方法被稱為開孔Z-scan測量,否則,便是閉孔Z-scan測量.雙臂測量法[19]的實驗裝置如圖4(b)所示,類似光纖型開孔Z-scan測量裝置,所有的光被局限在光纖內,脈沖光通過一個衰減器attenuator之后,被分束分成兩路: 參考光路和測量光路.脈沖光通過待測樣品后,測量光路的光功率用功率計進行測量.調節脈沖光源的輸入功率,可改變光與材料相互作用的強度.

2.4 耦合方法

二維材料作為飽和吸收體用于固體激光器和光纖激光器,需要經過特殊的耦合設計使得光與材料相互作用.對于固體激光器,二維材料可制成透射式飽和吸收體和反射式飽和吸收體,二維材料可通過旋涂、滴涂或者化學氣相生長的方式置于石英基底上,光可以穿過材料和基底,這種方式被稱為透射式(圖5(a)).當二維材料置于高反鏡上,會對入射光進行反射,這種方式稱為反射式(圖5(b)).對于光纖激光器,材料和腔體耦合方法較多,可根據現實需要進行選擇.首先,二維材料可以和高分子聚合物混合制成薄膜,將其放置在兩跳纖接頭的中間,這稱之為三明治結構(圖5(c)).利用薄膜組成的三明治結構,薄膜的熱損傷和熱穩定性是影響激光性能的兩個重要的因素.另外,通過機械剝離法或化學氣相沉積法生長的二維材料,可通過濕法轉移或者干法轉移,將材料轉移到光纖接頭的端面,也可制成三明治結構(圖5(d)).另外,液相剝離法制備的納米片溶液可通過光沉積法將二維材料沉積在錐形光纖(圖5(e))、D型光纖(圖5(f))和光纖端面,從而實現光與物質的相互作用.

圖4 (a) Z-scan法實驗裝置[18]; (b) 雙臂測量法實驗裝置[19]Fig.4.(a) Schematic of the Z-scan measurement setup with permission from Ref.[18]? The Optical Society.(b) Schematic of the two-arm measurement setup.Reprinted by permission from Ref.[19].Copyright 2017 Nature Publishing Group.

圖5 二維材料的耦合方式 (a) 二維材料轉移至石英片上; (b) 二維材料轉移至高反鏡上; (c) 三明治結構,二維材料轉移至光纖端面 (d)、錐形光纖(e)和D型光纖(f)Fig.5.Incorporation schemes for two-dimensional materials: (a) Transferring two-dimensional materials on quartz; (b) transferring two-dimensional materials on high reflection mirror; (c) sandwiching structure; transferring or depositing SA on (d) fiber end,(e) tapered fiber and (f) D-typed fiber.

3 基于二維材料的脈沖激光器

3.1 基于二維材料的光纖脈沖激光器

表1總結了基于石墨烯、TIs、TMDs和BP二維材料的鎖模光纖激光器的脈沖特性[14?16,20?100].從表1可以看出,材料的制備方式主要以三種方式為主: 化學氣相沉積法、機械剝離法和液相剝離法.光纖激光器的波段范圍主要集中在1和1.5 μm,也有部分中心波長在2 μm,在3 μm波段的光纖激光器還沒有被報道,這可能與光纖器件的發展有關,例如,目前的光纖對3 μm波段具有較大的損耗.通過對表1的激光性能進行總結發現: 基于二維材料的鎖模光纖激光器的脈寬主要集中在0—2 ps,重復頻率和脈沖能量主要集中在0—100 MHz(圖6(a)).目前,基于二維材料的超快激光器最短脈寬是29 fs[20],強度自相關曲線如圖6(b)所示,這是由Purdie等在2015年利用石墨烯飽和吸收體實現的輸出功率約為52 mW,脈沖能量為2.8 nJ的超短脈沖激光.基于二維材料的超快激光器最大重復頻率是3.27 GHz,是由 Koo等[21]在2016年利用MoSe2/PVA飽和吸收體實現的諧波鎖模,圖6(c)是212階諧波鎖模脈沖串,單個脈沖對應的自相關曲線如圖6(d)所示,脈寬為798 fs.

對于石墨烯二維材料,超快光纖激光器主要集中在1.5 μm波段,對2和3 μm波段的研究還較少.利用石墨烯作為飽和吸收體實現的諧波鎖模激光,最高的重復頻率是2.22 GHz[22].對于TIs材料,Liu等利用脈沖激光沉積方法制備了拓撲絕緣體Sb2Te3材料,通過非線性偏振轉化被動鎖模實現了中心波長在1542 nm的70 fs和95.4 MHz的脈沖激光,這是基于TIs的脈寬最短光纖激光器[23].Yan等[24]利用拓撲絕緣體Bi2Te3實現了脈寬為320 fs的鎖模脈沖激光,通過進一步調整腔內偏振態,獲得了重復頻率為2.95 GHz,輸出功率為45.3 mW的諧波孤子鎖模脈沖激光.基于TMDs的超快激光,獲得的最小脈寬和最大重復頻率為200 fs和3.27 GHz[21].對于二維材料BP,制備方法以液相剝離法為主,Jin等[25]利用噴墨打印技術制備的BP飽和吸收體,實現了長期穩定的全光纖飛秒激光,脈寬和中心波長分別為102 fs和1555 nm.諧波鎖模可實現GHz的重復頻率,調查發現,基于BP的諧波鎖模目前還沒有被報道.除了以上的二維材料,近幾年也出現了新的二維材料,例如銻烯[101]、鉍烯、MXene、鈣鈦礦,它們均在超快激光領域展現出自己各自的優勢.MXene材料種類較多,目前在實驗上已經成功制備的已有30多種.John等[102]利用Ti3CN MXene實現了660 fs的超快激光,重復頻率為15.4 MHz,波長為1557 nm; Jiang等[103]測試了Ti3C2TxMXene在800—1800 nm波段的非線性光響應和非線性吸收系數,將該材料作為飽和吸收體,在通信波段實現了脈寬為159 fs,重復頻率為7 MHz的超快激光(圖6(e)和圖6(f)).Guo等[104]采用聲化學剝離法制備的鉍烯納米片,首次實現了193 fs的鎖模飛秒脈沖激光.Song等[105]通過開孔Z-掃描測量了銻烯的非線性光響應,并實現了550 fs鎖模脈沖激光.總之,基于二維材料的鎖模激光器可以在寬波段調制,具有高重頻,通過進一步優化吸收體和腔參數,可獲得更好的激光性能.

表1 基于石墨烯、TIs、TMDs、BP的鎖模光纖激光器的性能總結Table 1.Performance summary of mode-locked fiber lasers based on graphene,TIs,TMDs and BP.

表1 （續） 基于石墨烯、TIs、TMDs、BP的鎖模光纖激光器的性能總結Table 1 (continued).Performance summary of mode-locked fiber lasers based on graphene,TIs,TMDs and BP.

圖6 (a) 光纖激光器的脈寬和重復頻率分布圖; (b) 種子源和壓縮脈沖的自相關曲線[20]; (c),(d) 212階諧波鎖模脈沖輸出序列和自相關曲線[21]; (e),(f)鎖模脈沖序列和自相關曲線[103]Fig.6.(a) Scattergram of pulse width and repetition rate of fiber lasers.(b) Intensity autocorrelation trace,fitted with a sech2 profile.Both seed and compressed traces are normalized to 1.Selected from Ref.[20].(c) Measured oscilloscope traces of the 212th-harmonic-output optical pulses with permission from Ref.[21]? The Optical Society.(d) Measured autocorrelation traces of the output pulses at the maximum harmonic order with permission from Ref.[21]? The Optical Society.(e) Typical oscilloscope pulse trains of mode-locking.Reprinted by permission from Ref.[103].Copyright 2018 Wiley-VCH Verlag.(f) Autocorrelation trace with a sech2 fitting.Reprinted by permission from Ref.[103].Copyright 2018 Wiley-VCH Verla.

基于二維材料的調Q光纖激光器的脈寬雖然不能達到飛秒量級,但可以獲得較高的脈沖能量,從而滿足一些特定需求,調Q技術類似于鎖模技術,在腔內插入一個飽和吸收體可實現調Q或鎖模狀態,對于會實現哪種狀態,這與腔的設計和飽和吸收體的特性有關.表2總結了目前基于不同二維材料的調Q光纖激光器的發展狀況[14,106?152].從表2可知,基于石墨烯、TIs、TMDs和BP的最大脈沖能量分別為8.34,3.99,1.18,7.7 μJ.在可見光波段,采用TIs,TMDs和BP吸收體實現了波長為600 nm的調Q光纖激光器,鎖模光纖激光器在可見光波段還需進一步探索.在2—3 μm波段,基于二維材料的調Q光纖激光器報道得相對較少,這與光纖器件的發展有較大關系,而在固體激光器中,該波段的固體激光器相繼被報道,下文中會詳細介紹.在調Q激光器中,最短的脈寬為800 ps,是由Liu等[106]利用Ho3+:ZBLAN作為增益光纖,石墨烯作為飽和吸收體,采用全光纖環形腔,實現了亞微秒脈寬,111 kHz重復頻率的調Q脈沖激光.

3.2 基于二維材料的固體脈沖激光器

固體激光器通常由自由空間腔體組成,腔體主要是由反射鏡和固體增益介質構成,具有功率高、光束質量好的特點.目前,固體激光器在工業制造、基礎研究和軍事等領域具有廣泛的應用.與光纖激光器相比,脈沖固體激光器發展較早,早期,基于SESAM、納米材料的脈沖固體激光器已有相關的報道,近年來二維材料的出現,再次促進了固體激光器的發展.上述的二維材料除了在光纖激光器中被廣泛研究,在固體激光器領域也展現出各自的優勢.目前,已有各種各樣的增益介質和飽和吸收體相結合實現脈沖激光,在可見光波段常用的增益介質有Pr:LuLiF4,Pr:GdLiF4,Pr:LiYF4; 在1 μm波段的增益介質有Nd:YAG,Nd:GdVO4,Nd:YLF,Nd,Mg:LiTaO3,Nd:GYSGG,Nd:LYSO,YVO4/Nd:YVO4,Nd:YVO4,Nd:Lu2O3,Nd:YVO4,Nd:YVO4,Yb:GdAl3(BO3),Yb:CYA,Yb:CYB,Yb:GAB,Yb:CLGGG,Yb:KLuW,Yb:LuPO4,Yb:LuYAG,Yb:KGW,Nd:GGG; 在1.3—1.6 μm波段的增益介質有Nd:YVO4,Nd:YAG,Nd:YLF,Nd:GGG,Nd:YGG,Nd;GdVO4,Nd:LuAG,Nd:YLF,Er:YAG,Er:LuYAG,Er:Yb:glass,Cr:YAG,Nd,Lu:CaF2; 在2 μm波段的增益介質有Ho:YAG,Tm:YAG,Tm:Y:CaF2,Tm:Ho:YGG,Tm:CLNGG,Tm:KLuW,Tm:CYAO,Tm:Ho:YAP,Tm:LuAG,Tm:YAP,Tm:LuAG,Tm:Ho:YAG,Tm:CaYAlO4,Tm:GdVO4,Tm:CLNGG;在3 μm波段的增益介質有Tm:YAP,Ho:ZBLAN,Er:CaF2,Er:SrF2,Er,Pr:CaF2,Er:Y2O3,Ho,Pr:LLF.固體激光器在可見光到中紅外波段均實現了激光振蕩,這說明二維材料在固體激光領域具有較大的前景.

表2 基于石墨烯、TIs、TMDs、BP的調Q光纖激光器的性能總結Table 2.Performance summary of Q-switched fiber lasers based on graphene,TIs,TMDs and BP.

表2 （續） 基于石墨烯、TIs、TMDs、BP的調Q光纖激光器的性能總結Table 2 (continued).Performance summary of Q-switched fiber lasers based on graphene,TIs,TMDs and BP.

表3總結了基于石墨烯、TIs、TMDs和BP二維材料的超快固體激光器的性能[153?179].可以看出,目前基于二維材料的超快固體激光還是以石墨烯為主,BP次之,基于其他二維材料的超快激光報道還較少,這種現象可能與材料的制備技術有關,通過化學氣相沉積法制備出的石墨烯具有大尺寸、良好的均勻性、層數可控等特點,這便于實現固體激光器鎖模.除了化學氣相沉積法,在固體激光器領域,液相剝離法也是一種普遍常用的手段,通過超聲、離心等方式獲得層數少、尺寸大的二維納米材料.不難看出,二維材料的制備技術對超快固體激光器的發展具有積極的促進作用.

基于二維材料的超快固體激光器主要集中在1 μm波段,在可見光波段和中紅外波段也有所進展.2017年,Zhang等[153]利用MoS2飽和吸收體,在可見光522,607和639 nm波段實現了皮秒級的超快激光,這一報道加快了二維材料在可見光波段實現超快光子學的步伐.對于中紅外3 μm波段,由于水對該波段具有較強的吸收和增益介質特殊的能級結構等特性,在3 μm波段實現連續鎖模是較為困難的.在2016年,Li等[179]利用增益光纖和空間光結合的方式,實現了3 μm波段的鎖模,如圖7(a)所示,他們利用液相剝離法制備出BP材料,并對BP材料進行了非線性光學測試,結果表明調制深度為41.2%,非飽和通量為7.6%,飽和強度為3.767 MW/cm2(圖7(b)),圖7(c)是實現鎖模激光的裝置圖,增益光纖采用的是商用的雙包層Ho3+/Po3+共摻氟化光纖,長度為7.1 m,對抽運光的吸收效率可超過90%,光纖的高增益特性便于實現高腔內脈沖能量,這有利于實現連續光鎖模.對比表1和表3不難發現,基于二維材料的鎖模固體激光器相對于光纖激光器報道較少,這主要是由于在固體激光器中,二維材料直接插入腔內,光與材料直接相互作用,受限于目前的材料制備手段,基于二維材料的超快固體激光器具有一定的挑戰和難度,對于光纖激光器,光纖和材料耦合的方式多種多樣,可有效實現超快脈沖激光,因此,通過將光纖和空間光結合的方式,既能滿足光與二維材料相互作用,又能實現高功率超快激光輸出.采用該方式的挑戰主要在于實現空間光和光纖的完美耦合,減少不必要的損耗,從而能夠實現激光振蕩.固體鎖模激光器的最大輸出功率為87.8 mW,最大的脈沖能量為6.28 nJ,中心波長和譜寬分別為2866 nm和4.35 nm,重復頻率為13.987 MHz,脈寬為8.6 ps (圖7(d))[179].目前,基于二維材料的超快固體激光器的最短脈寬是41 fs,這是由Tolstik等[168]利用石墨烯飽和吸收鏡實現的超短脈沖激光,中心波長和譜線寬度分別為2.4 μm和190 nm,脈寬、脈沖能量、平均輸出功率和重復頻率分別為41 fs,2.3 nJ,250 mW和108 MHz.2015年,Zhao等[175]通過MoS2/graphene異質結材料,并搭建V-型諧振腔,實現了重復頻率高達1 GHz的鎖模激光,這是目前最大的重復頻率.

表3 基于石墨烯、TIs、TMDs、BP的鎖模固體激光器的性能總結Table 3.Performance summary of mode-locked solid-state lasers based on graphene,TIs,TMDs and BP.

表4總結了在2—3 μm波段,基于石墨烯、TIs、TMDs和BP二維材料的調Q固體激光器的性能[111,179?214].不難看出,相對于表3中的鎖模激光器,2—3 μm調Q激光器研究成果較多,材料的制備手段以液相剝離法為主,這再次表明,實現鎖模脈沖激光對材料要求較高.由于石墨烯、TMDs和BP具有寬帶吸收特性,他們均在2—3 μm波段實現了調Q激光,基于這三種材料,調Q激光獲得的最短脈寬分別為157,220和181 ns.隨著近幾年新材料的不斷出現,銻稀、鉍烯和MXene等二維材料也紛紛被用于固體激光器,2018年,Liu等[215]利用Bi納米片實現了中紅外全固態調Q激光,重復頻率和脈寬分別為56.2 kHz和980 ns.同年,山東師范大學劉杰教授課題組,利用MXene飽和吸收體分別在1和2 μm波段實現了調Q脈沖激光[216,217],證明了MXene具有寬帶吸收調制特性.

表4 在2—3 μm波段下,基于石墨烯、TIs、TMDs、BP的調Q固體激光器的性能總結Table 4.Performance summary of Q-switched solid-state lasers based on graphene,TIs,TMDs and BP at the wavelength of 2－3 μm.

圖7 (a) 黑磷納米片溶液; (b) 黑磷飽和吸收體的非線性曲線; (c) Ho3+/Pr3+共摻的被動鎖模光纖激光器; (d)鎖模脈沖的自相關曲線[179]Fig.7.(a) Layered BP solution; (b) nonlinear transmission of BP SA; (c) passively mode-locked Ho3+/Pr3+ co-doped fluoride fiber laser; (d) autocorrelation trace of the mode-locked pulses.Reprinted by permission from Ref.[179].Copyright 2016 Nature Publishing Group.

4 總結與展望

本文總結了近年來基于二維材料脈沖激光器的研究進展.對于二維材料,討論了材料的特性、制備方法和測試方法.二維材料以其獨特的光學特性成為一種重要的光學材料,在開發寬帶飽和吸收材料方面具有巨大的潛力.能否有一種材料從廣泛的材料中脫穎而出,仍是一個待討論的話題,這其中包括了材料的可靠性和可重復性、是否可以在光學基片上生長大面積均勻的材料(最好不需要轉移)、非線性光學特性能否被精確和靈活地控制,材料能否承受在各個波長和脈寬下的高強度激光.就目前來看,雖然各種二維材料已經滿足了部分要求,但并不是所有的標準都在一種特定的材料中得到滿足,例如,基于化學氣相法生長的石墨烯具有大面積、可靠生長的優點,然而,精確控制層數的難題和相對較弱的光與物質相互作用,限制了它在強吸收和大調制深度方面的發展潛力.因此,在發展和探索新型二維材料方面,仍具有較大的挑戰性.

對于脈沖激光器,本文歸納了基于二維材料的光纖激光器和固體激光器的激光性能,對目前的相關工作進行了詳細總結,并對這些激光器中的優良性能進行了重點描述,例如光纖鎖模激光器的鎖模可達640 MHz,諧波鎖模可達3.27 GHz,超快固體激光器的最短脈寬是41 fs,并且,在可見光到中紅外波段均實現了超快激光.到目前為止,基于二維材料的脈沖激光器的研究已有10年的時間,二維材料成功用于各種鎖模/調Q激光器 (光纖、固體、薄片和波導),未來的發展可能是不斷提高脈沖激光器的輸出性能和寬帶響應范圍.通過對腔體進行優化設計、生長高質量的二維材料,激光性能仍具有較大的上升空間.由于二維材料具有寬帶吸收特性,在可見光波段到紅外波段均有光響應,激光器可進一步向更短波長或更長波長擴展.其中,石墨稀、TIs、TMDs和BP的帶隙分別為0 eV,0—0.7 eV,1—2.5 eV和0.35—2 eV,對應的載流子壽命分別為小于200 fs,0.3—2 ps,約1—3 ps和360 fs.波長400 nm的光子對應的光子能量是3.1 eV,大于石墨烯、TMDs、TIs和BP的帶隙,可以被這些材料所吸收調制.波長為4000 nm的光子所對應的光子能量是0.3 eV,這要大于石墨烯和拓撲絕緣體的帶隙,目前,基于二維材料的超快光纖脈沖激光器,最短波長和最長波長分別為1 μm和2.78 μm,對于固體激光器,實現的最短波長和最長波長分別為522 nm和2.8 μm,波長為4 μm的超快激光器未見報道,隨著激光增益介質和相關光學器件的發展,石墨烯和TIs有望作為4 μm波段激光器的飽和吸收體.另外,現代的材料工程技術可以通過異質結構、摻雜等方式來改變現有二維材料的帶隙,使得各種材料適用于超快激光器,這也為發現具有獨特光電特性的二維材料提供了可能.

綜上所述,基于二維材料的超快光子學已經成為一個高度活躍的研究領域,在該領域中,人們投入了大量的精力來研究脈沖激光器的輸出特性,例如平均功率、脈寬、重復頻率和脈沖能量.由于二維材料除了具有飽和吸收特性外,還具有較大的非線性折射率,可用于光調制器[218]和波長轉換器.期望在未來的幾十年里,基于二維材料的非線性光學器件迅速發展,為人類社會的進步作出貢獻.