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，二維材料在光波混頻等方面也得到了廣泛應(yīng)用，這對于短波長、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，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所微納光電子功能材料實驗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進展。

研究小組（中科院國際訪問學(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有顯著的吸收而產(chǎn)生強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。通過理論計算，驗證了受激布里淵散射淬滅過程中不同熱動力學(xué)、電光和聲光參數(shù)對布里淵增益因子的影響。在碳氣泡形成過程中，氣泡的濃度和壓縮系數(shù)會發(fā)生變化，并且會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)合聲波吸收實驗研究納秒時間尺度的氣泡特性。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-熱膨脹對抗作用及其對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。