東南大學科研團隊在二維材料超快光子學領(lǐng)域取得進展

在國家自然科學基金項目等資助下，東南大學呂俊鵬、倪振華教授團隊與山東大學何京良、張百濤教授團隊合作，運用缺陷工程提升二維可飽和吸收體器件性能，實現(xiàn)了基于二維Bi2O2Se可飽和吸收體的高性能的鎖模脈沖激光輸出。相關(guān)研究成果以“通過二維Bi2O2Se可飽和吸收體中的缺陷調(diào)控實現(xiàn)高輸出功率的鎖模激光（High output mode-locked laser empowered by defect regulation in 2D Bi2O2Se saturable absorber）”為題，發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）。

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圖1. a-c 原始Bi2O2Se納米片的TEM圖像；d-f Bi2O2Se納米片經(jīng)過較短時間氬等離子體輻照后的TEM圖像；g-i Bi2O2Se納米片經(jīng)過較長時間氬等離子體輻照后的TEM圖像。
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圖2. a 缺陷調(diào)控后的Bi2O2Se的差分反射率變化趨勢；b 不同等離子體輻照時間下Bi2O2Se的非線性吸收變化；c 缺陷調(diào)控后Bi2O2Se可飽和吸收體的連續(xù)鎖模輸出的最大平均功率以及閾值泵浦功率趨勢；d 1.0 μm 鎖模全固態(tài)激光器性能對比。

高輸出功率的飛秒激光在精密加工、生物醫(yī)學、和科學研究等領(lǐng)域展具有重要的應(yīng)用價值。可飽和吸收體是實現(xiàn)超短脈沖的關(guān)鍵光學元件，直接決定鎖模激光器性能。2009年以來，以石墨烯為代表的二維材料因具有十分優(yōu)異的電子以及光學性能成為新一代高性能的可飽和吸收體材料和器件研究的熱點。二維材料中包含種類豐富的缺陷，通過表面和缺陷工程可以有效調(diào)控二維材料的能帶結(jié)構(gòu)，進而對其電學、光學、磁學、機械等性能產(chǎn)生重要影響。然而，目前缺陷工程對二維材料中光生載流子動力學過程以及非線性吸收過程的調(diào)控機制尚未有詳細報道。

Bi2O2Se是一種新型的二維光電材料，具有大的非線性吸收系數(shù)以及良好的空氣穩(wěn)定性。研究團隊通過利用氬等離子體輻照不同時間來精準調(diào)控二維Bi2O2Se中O空位以及Se空位缺陷態(tài)密度，可有效提高二維Bi2O2Se中光載流子的捕獲速率和缺陷輔助的俄歇復(fù)合速率，進而實現(xiàn)對其可飽和吸收參量的調(diào)控。將二維Bi2O2Se作為可飽和吸收體應(yīng)用到全固態(tài)鎖模激光器中，實現(xiàn)了飛秒鎖模激光輸出，通過缺陷工程對二維Bi2O2Se可飽和吸收體進行調(diào)控后，鎖模激光性能得到了明顯提高（功率更高、脈寬更短），實現(xiàn)了665mW、266fs的超短脈沖激光輸出。

該項工作為二維材料超快載流子動力學過程以及非線性吸收特性調(diào)控提供了新途徑，并為二維材料超快光子學器件的設(shè)計和開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。