哈尔滨工程大学郭波联合团队：铋烯的光学非线性及飞秒激光实现
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近日，哈尔滨工程大学纤维集成光学教育部重点实验室郭波课题组和深圳大学二维材料光电科技国际合作联合实验室张晗课题组合作，成功实现了基于铋烯锁模的飞秒级孤子激光器，这项研究成果有望为铋烯材料进军光电子领域打开大门，也为超快激光的发展提供了新的机遇。
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超快激光器，能够产生皮秒或飞秒量级的激光脉冲，在激光通信、光纤传感、生物医学及雷达系统等领域有着十分广阔的应用前景，引起了各国研究人员的极大兴趣。为了实现超短脉冲运转，通常需要一个非线性光学元件，称为饱和吸收体，它能够将连续波激光转换成脉冲激光输出。为此，超快激光领域的研究人员从未停止过寻找新型饱和吸收体。
自从2004年单原子层的石墨材料—石墨烯被成功分离以来，二维材料的概念被正式提出来。近年来，二维材料成为了激光领域的研究热点，其中，VA族单层材料包括磷烯、砷烯、锑烯和铋烯，由于具有拓扑非平庸态、可调带隙和高载流子迁移率等特性，激起了人们极大的研究热情。2015年以来，黑磷被发展成为一种有效的饱和吸收体及全光信号处理系统中优良的调制器件。然而，在一般环境条件下，其稳定性很差且容易被氧化。为此，研究人员开始探索其他性能相似而稳定性高于黑磷的VA族材料。
铋烯，晶格结构类似于石墨烯，其电子能以极高的速度运动，可作为拓扑半金属或者半导体。由于拥有电子输运、半金属键合、自旋轨道相互作用及优良的稳定性，铋烯以其独特的电子、力学性质惊艳了科学界，并在器件应用上展现出广泛的潜力。因此，其被认为有潜力取代硅成为未来电子器件的新材料。最近的研究发现，铋烯也可以应用于光电器件。该联合团队研究了铋烯如何吸收光子及光如何激发电子空穴，结果发现，泡利阻塞在吸收饱和过程中起着关键作用（如图1所示）。
图1 铋烯的饱和吸收机制
在实验中，该联合团队首先采用超声化学剥离法来制备铋烯纳米片，并采用光学沉积法将少层铋烯沉积在拉锥光纤上。采用功率相关透射技术确定铋烯在1.55 µm近红外区域具有饱和吸收现象，可以用作饱和吸收体。接着，他们将铋烯拉锥器件引入锁模光纤激光器（如图2所示），实现了孤子脉冲激光运转（如图3所示）。当抽运功率为350 mW 时，获得了最大平均输出功率，约为5 mW，相应的脉冲宽度约为190 fs。据笔者所知，这是迄今所报道的基于第五主族层状材料的超快激光器最短脉冲宽度。
图2 基于铋烯锁模的孤子光纤激光器实验装置
图3 飞秒级孤子脉冲激光的运转特性
相比于传统的半导体可饱和吸收镜，铋烯与中红外光子具有更强的相互作用，且具有随着层数可变的直接带隙，工作波段能够覆盖近红外、中红外，甚至太赫兹范围，为理想的宽带可饱和吸收体。由于铋烯具有工作波长宽、制备工艺简单、成本低廉、稳定性好且易与光纤系统集成等独特优势，有望在不久的将来替代半导体可饱和吸收镜、碳纳米管，成为一种新型的激光脉冲整形材料。
相关研究成果以Sub-200 fs soliton mode-locked fiber laser based on bismuthene saturable absorber为题发表在Optics Express [ 26 (18) , 22750 (2018) ]上，哈尔滨工程大学为第一完成单位，通讯作者为哈尔滨工程大学郭波博士和深圳大学张晗课题组的葛颜琦博士。本工作获得了国家自然科学基金、“十三五”装备预研领域基金项目及哈尔滨工程大学“111”项目的经费支持。
论文链接：
https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-26-18-22750
关于鼎信优威：
鼎信优威专注于弱光探测领域，涵盖从光源到探测的整个系统。主要产品有美国PI科学级CCD相机与单色仪，瑞典COBOLT的DPSS激光器，美国SEMROCK 的荧光与RAMAN滤光片，德国BECKER-HICKL 的TCSPC 单光子探测系统，瑞士苏黎世仪器的LOCK-IN 放大器。
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