二維材料由于其豐富的非線性光學(xué)特性，如雙光子吸收、飽和吸收、反飽和吸收等，在激光技術(shù)、光信息和通訊等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。近年來(lái)，二維材料在光波混頻等方面也得到了廣泛應(yīng)用，這對(duì)于短波長(zhǎng)、可調(diào)諧激光源的產(chǎn)生是非常重要的。受激布里淵散射和非線性吸收等特性在激光和光電通信領(lǐng)域具有重要影響，然而二維材料中這些效應(yīng)仍不明確。近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所微納光電子功能材料實(shí)驗(yàn)室研究員王俊課題組在二維納米材料非線性光學(xué)特性研究方面取得多項(xiàng)進(jìn)展。

研究小組（中科院國(guó)際訪問(wèn)學(xué)者Ivan Kislyakov等）系統(tǒng)研究了石墨烯納米片在NMP和水溶液中的受激布里淵散射行為及其能量特性。研究發(fā)現(xiàn)低濃度的石墨烯懸浮液由于沒(méi)有顯著的吸收而產(chǎn)生強(qiáng)的受激布里淵散射淬滅效應(yīng)，并且受激布里淵散射閾值與石墨烯吸收系數(shù)之間存在線性依賴關(guān)系。通過(guò)理論計(jì)算，驗(yàn)證了受激布里淵散射淬滅過(guò)程中不同熱動(dòng)力學(xué)、電光和聲光參數(shù)對(duì)布里淵增益因子的影響。在碳?xì)馀菪纬蛇^(guò)程中，氣泡的濃度和壓縮系數(shù)會(huì)發(fā)生變化，并且會(huì)決定受激布里淵散射行為；估算出了有效氣泡尺寸，并且可結(jié)合聲波吸收實(shí)驗(yàn)研究納秒時(shí)間尺度的氣泡特性。這些研究成果在某些情況下可用于抑制受激布里淵散射產(chǎn)生，如激光技術(shù)、光通信網(wǎng)絡(luò)等。該研究成果發(fā)表在Optics Express [26, 34346 (2018)]上。

該研究小組系統(tǒng)研究了六方氮化硼(hBN)納米片懸浮液的受激布里淵散射和雙光子吸收特性，測(cè)量了在532nm激光作用下的雙光子吸收截面σ2PA和布里淵增益系數(shù)gB。發(fā)現(xiàn)在hBN濃度較低時(shí)表現(xiàn)出明顯的受激布里淵散射淬滅效應(yīng)，這與石墨烯懸浮液的結(jié)論一致；并且，雙光子吸收截面非常大，因此BN納米片能夠吸收足夠的能量來(lái)加熱到熔化溫度。BN中受激布里淵散射猝滅主要是由BN的熔化和納米片在激光能量高于受激布里淵散射閾值時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米液滴而引起的聲波衰減所致。文中研究的BN分散液，在低強(qiáng)度輻照下具有很高的透明性，因此可將其作為全光濾波器非線性光學(xué)復(fù)合材料以及具有受激布里淵散射抑制作用的透明材料摻雜劑。BN懸浮液也是研究非線性光學(xué)和聲光現(xiàn)象的一個(gè)有趣的模型系統(tǒng)。該研究成果發(fā)表在Optics Express [27, 11029 (2019)]上。

研究小組還與北京化工大學(xué)教授孫振宇課題組通過(guò)液相玻璃技術(shù)，合作研制了大量高品質(zhì)碘化鉛（PbI2）二維納米片，所得分散液可以在30天內(nèi)保持良好的穩(wěn)定性。非線性光學(xué)特性研究發(fā)現(xiàn)PbI2納米片在515nm飛秒脈沖和532nm納秒脈沖下具有飽和吸收（SA）特性，并且在6ns脈沖激發(fā)下的SA響應(yīng)強(qiáng)于在340fs脈沖激發(fā)下的SA響應(yīng)。PbI2納米片的飽和吸收特性與某些二維鈣鈦礦、石墨烯、黑磷和二硫化鉬材料是可比擬的。并且，PbI2的高穩(wěn)定性和低不飽和損耗使得其在調(diào)Q、鎖模激光器、光電探測(cè)器和其它超快光電子器件方面有巨大應(yīng)用前景。該研究成果已經(jīng)在線發(fā)表在ACS Photonics [DOI: 10.1021/acsphotonics.9b00122]上。

相關(guān)工作得到中科院、基金委和上海市科委的項(xiàng)目支持。

圖1 石墨烯懸浮液受輻照后發(fā)生的電致伸縮-熱膨脹對(duì)抗作用及其對(duì)受激布里淵散射淬滅的影響示意圖。

圖2 氮化硼懸浮液的雙光子吸收和受激布里淵散射特性。

圖3 PbI2納米片的晶格結(jié)構(gòu)和飽和吸收特性。