ESI高被引论文 | 新型二维超导材料的非线性光学性能研究

撰稿人：刘文军、刘孟丽、魏志义

题目：Ultrafast photonics of two dimensional AuTe₂Se_4/3 in fiber lasers （光纤激光器中二维金碲硒的超快光子学研究）

作者：刘文军，刘孟丽，陈旭，沈涛，雷鸣，郭建刚，邓惠雄，张炜，戴朝卿，张晓斐，魏志义

完成单位：北京邮电大学，中国科学院物理研究所，中国科学院半导体研究所，中国科学院重庆绿色智能技术研究院，浙江农林大学，中国科学院国家授时中心

论文链接：长按扫码即可跳转原文

导读

中科院物理所L07组与A02组、北京邮电大学、中科院半导体所等单位合作，从理论和实验两个方面研究了奇特小立方单元所构成的二维层状材料AuTe₂Se_4/3作为可饱和吸收材料用于激光锁模的非线性光学特性。通过第一性原理计算，AuTe₂Se_4/3材料显示出类金属性和负生成能，根据计算结果实验制备了AuTe₂Se_4/3锁模器件（调制深度：65.58%， 饱和强度：0.089MW/cm²），得到脉宽147.7fs、信噪比91dB的高稳定锁模脉冲，为超快光子学研究提供了一种新思路。文章发表在Nature旗下的《Communications Physics》上，题为“Ultrafast photonics of two dimensional AuTe₂Se_4/3 in fiber lasers”，并入选Springer Nature 2020年“中国作者年度高影响力研究特辑”(Physics and Astronomy)，2021年三月/四月ESI高被引论文，刘文军为第一作者。

研究背景

近年来，随着光纤生长技术和半导体泵浦源的不断发展，光纤锁模激光发展迅速，掀起了光纤飞秒激光研究热潮。相比于固体锁模激光器，光纤锁模激光器具有成本低、环境稳定性好、光束质量好等优势。科研人员利用可饱和吸收体在较快的响应时间内实现连续激光调制整形，得到能量高、脉宽窄的锁模脉冲。

由于半导体可饱和吸收镜参数可以灵活调节的特性，已成为商用化的锁模元件，但其窄带宽、低损伤阈值、依赖进口等缺点限制了进一步应用。随着材料制备技术的不断更新，石墨烯、黑磷、过渡金属硫化物等二维材料先后引起科研人员的广泛关注。二维材料的低维结构使得材料具有界面效应、量子尺寸效应等特点，从而引起电子结构的显著变化，优化器件性能。制造低维材料的物理方法有分子束外延和层状化合物剥离，但复杂且耗时。近年来，人们发现通过改变阳离子的大小或加入额外的阴离子能够调节材料的维度，可作为发展非线性材料的新途径。

创新研究

我们在三维无序AuTe₂中引入Se元素，通过Te-Te键长，得到二维层状结构的AuTe₂Se_4/3（如图1）。理论计算表明，AuTe₂Se_4/3作为类金属材料，具有较大的电子浓度，自由载流子可以轻易过渡到费米能级以上的能级，对加快其弛豫过程和响应速度有重要促进作用；不同反应条件下AuTe₂Se_4/3生成能计算结果为负，说明它的稳定性较强。该特性表明，二维AuTe₂Se_4/3在快驰豫、稳定性方面得到了进一步增强，可作为可饱和吸收材料。

图1 AuTe₂Se_4/3的原子结构和带隙结构。（a）AuTe₂Se_4/3的单元结构，其中橙色、蓝色和绿色的球分别代表Au、Se和Te原子。（b） AuTe₂Se_4/3能带结构。（c）在AuTe₂Se_4/3中，自由载流子很容易跃迁到费米能级之上。

结合实验研究，我们进一步对AuTe₂Se_4/3的非线性光学特性进行了实际测量，并将其用于激光锁模。通过双臂平衡探测法，测量得到AuTe₂Se_4/3可饱和吸收体的调制深度高达65.58%，如图2（a）所示。随后，在光纤激光器中使用AuTe₂Se_4/3可饱和吸收体，得到稳定的锁模脉冲（图3），输出的中心波长为 1557.53nm，脉冲宽度为147.7fs，输出功率为21.4mW。高达91dB的信噪比证明了该锁模脉冲的高稳定性，这一研究首次展示了其在超快光子学中的应用，对进一步促进其在非线性光学、超快光子学等领域的发展和应用，具有积极的意义。

图2 （a）AuTe₂Se_4/3可饱和吸收体的调制深度；（b）激光器装置图。

图3 基于AuTe₂Se_4/3材料的锁模激光器的输出参数。（a）脉冲序列；（b）光谱；（c）自相关曲线；（d）频谱。

主要作者介绍

刘文军，北京邮电大学教授，博士生导师。长期从事飞秒光纤激光产生与应用研究，针对飞秒光纤激光非线性控制难题，研制出系列脉冲光纤激光器，部分成果实现产品转化并提供国内外用户。作为负责人/主研人先后承担了国家自然科学基金项目、科技部973计划项目、量子调控国家重大科学研究计划项目等。迄今在Optics Letters、Optics Express、Applied Physics Letters等杂志上发表SCI检索论文120余篇，SCI他引3000余次，H指数44，授权/申请国内发明专利10余项。获中国材料研究学会科学技术奖一等奖、中国光学学会光学科技奖二等奖。入选北京市青年拔尖人才，爱思维尔2020中国高被引学者。

该项研究得到国家自然科学基金委、中共北京市委组织部、北京邮电大学、上海交通大学支持。

Ultrafast Science，a science partner journal , 双月刊，由中国科学院主管、中国科学院西安光学精密机械研究所主办。办刊宗旨为：刊载超快科学研究领域的新理论、新技术、新进展、促进学术交流，推动成果转化，提高我国在该领域的科研水平和国际影响力。　

期刊报道范围为阿秒光源、阿秒物理、超快激光和应用、超快成像、超快光谱、超快诊断、超快材料和探测器、超快太赫兹光子、超快电子、超快化学物理等。

欢迎关注及使用期刊出版内容，感谢赐稿！  国际刊号    EISSN:2765-8791国内刊号    CN:61-1519/O4

官网                      投稿

超快科学 敬请关注

点击在看欢迎转发