二維原子晶體材料的三階非線性光學(xué)特性研究.pdf

1、三階非線性光學(xué)效應(yīng)及其應(yīng)用是非線性光學(xué)研究的熱點。隨著非線性光吸收、光克爾效應(yīng)等三階非線性光學(xué)效應(yīng)的研究深入，人們對三階非線性光學(xué)材料提出了更高的要求：超寬工作帶寬、超大非線性折射率、超快響應(yīng)等光學(xué)特性。
　　目前，無機材料、有機材料、半導(dǎo)體光學(xué)材料等具有很好的三階非線性光學(xué)性質(zhì)，但能夠同時滿足工作帶寬寬、非線性折射率大、響應(yīng)快這些要求的材料還很少。近幾年，二維原子晶體材料成為凝聚態(tài)物理、材料等領(lǐng)域研究的熱點。其中，最具代表性的是

2、石墨烯。特殊的單原子層晶體結(jié)構(gòu)和電子能帶結(jié)構(gòu)決定了石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)等性質(zhì)。除此之外，石墨烯也具有優(yōu)異的非線性光學(xué)特性：大的非線性折射率、寬帶的可飽和吸收、寬帶的反飽和吸收、巨大的雙光子吸收等特性。除石墨烯外，拓?fù)浣^緣體、過渡金屬硫化物等二維原子晶體相繼被制備出來。由于不同的成分和結(jié)構(gòu)，這些二維原子晶體材料展現(xiàn)出與石墨烯不同的物理、化學(xué)性質(zhì)，為探索新的物理現(xiàn)象和應(yīng)用提供了廣闊的空間。為此，本文對石墨烯及類石墨烯二維原子晶體

3、材料的三階非線性光學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并取得如下成果：
　　（1）實驗研究了石墨烯的寬帶可飽和吸收性能，并對其非線性吸收特性進(jìn)行了定性解釋。根據(jù)石墨烯的零帶隙狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)，理論上石墨烯對紫外、可見光、近紅外、中紅外、微波甚至太赫茲波，都具備飽和吸收性能。利用不同波段的激光應(yīng)用于非線性測量系統(tǒng)中，實驗研究了石墨烯分別在800 nm、1053 nm、1570 nm、1950 nm以及0.1THz波段的非線性吸收特性，證明石墨烯具備

4、寬帶可飽和吸收特性。對比各波長的飽和吸收參數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著波長的增加，飽和光強閾值隨之減小。實驗結(jié)果為實現(xiàn)寬波段的脈沖激光產(chǎn)生、光濾波等應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　?。?）首次實驗測量得到拓?fù)浣^緣體硒化鉍的三階非線性光學(xué)系數(shù)，并對其非線性機制進(jìn)行了分析。通過首次自行搭建搭建的Z-scan掃描系統(tǒng)，結(jié)合波長800 nm、脈寬100 fs的超快光源，實驗測量了化學(xué)合成法制備的少層硒化鉍的三階非線性光學(xué)性能。測量結(jié)果表明，硒化鉍樣品呈現(xiàn)出明顯的可飽

5、和吸收特性和自聚焦效應(yīng)。經(jīng)過擬合得到硒化鉍的飽和光強約為10.12GW/cm2，歸一化調(diào)制深度為61.2％，非線性折射率系數(shù)約為2.26×10–14 m2/W，比一般體電介質(zhì)高出六個數(shù)量級。此外，還測量得到硒化鉍在通信波段同樣具備飽和吸收特性，將其應(yīng)用于光纖激光器，成功獲得鎖模脈沖激光輸出。
　?。?）實驗研究了拓?fù)浣^緣體硒化鉍和碲化鉍在不同分散液中的可飽和吸收效應(yīng)。利用液相剝離的方法制備了兩種典型的少層拓?fù)浣^緣體硒化鉍和碲化鉍，

6、并將其分散在分散劑DMF、IPA和NMP中。利用800 nm飛秒激光器，對不同分散液溶液進(jìn)行了Z-scan開孔掃描研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這兩種拓?fù)浣^緣體分散液都具備優(yōu)異的可飽和吸收特性，并且不同分散液的飽和吸收性能與其分散效果相對應(yīng)。
　?。?）首次實驗發(fā)現(xiàn)少層二硫化鉬的寬帶可飽和吸收效應(yīng)，并基于其非線性吸收特性實現(xiàn)在1μm波段的鎖模光纖激光輸出。利用Z-scan和P-scan方法測量了少層二硫化鉬分散液和薄片，得到其在400 nm、8