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OEA封面 | 层数调控的新型光子器件非线性基础研究

OEA封面 | 层数调控的新型光子器件非线性基础研究 两江科技评论
2021-11-13
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导读:为高性能光纤激光器的发展提供了可能

封面文章 | Liu ML, Wu HB, Liu XM, Wang YR, Lei M et al. Optical properties and applications of SnS2 SAs with different thickness. Opto-Electron Adv 4, 200029 (2021). 

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研究背景

调Q和锁模技术是两种产生高性能脉冲激光的重要方法,锁模光纤激光可以实现飞秒脉冲,峰值功率和重复率相对较高,常用于对分辨率和精细度要求较高的器件,但缺点是脉冲能量降低。调Q光纤激光的脉冲能量远远强于锁模光纤激光,常用于激光打标、切割、雕刻和焊接。
利用饱和吸收体实现高效的调Q光纤激光器是一种普遍的趋势,但目前的饱和吸收体(如饱和吸收镜)存在制备复杂、成本高、带宽窄等问题,高性能、低成本的饱和吸收材料是研究者关注的焦点。近年来,以石墨烯为代表的二维材料的出现将饱和吸收体的研究推向了新的高度,具有强非线性和快弛豫过程的二维材料逐渐引起了人们的关注。迄今为止,已有相关二维材料被作为可饱和吸收材料成功应用于光纤激光器,并实现了超短脉冲输出。
近期的研究表明,大多数二维材料的光电性质与材料厚度的变化密切相关,同种类型不同厚度的材料在带隙结构以及载流子驰豫等方面通常表现出较大的差异。由于饱和吸收体是高性能激光器研制的突破口,所以关于二维材料饱和吸收体的研究十分重要。对于二维材料,大家的研究焦点大多集中在材料的制备和新型材料的研制,关于其厚度相关光学非线性的研究较缺失。因此,通过改变二维材料厚度实现对可饱和吸收体的非线性控制具有重要的研究意义。


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研究亮点

针对上述问题,北京邮电大学刘文军教授团队与中科院物理研究所魏志义研究员团队、北京理工大学郭伟教授团队合作,从理论和实验两个方面系统地研究了材料厚度对于可饱和吸收体的非线性控制以及对光纤激光器的影响。研究人员选用SnS2材料制备可饱和吸收体,通过控制其厚度,得到了具有不同调制深度的光子器件。通过搭建基于不同SnS2可饱和吸收体的光纤激光器,进一步分析了各种可饱和吸收体对激光器的稳定性、输出功率、启动阈值和脉宽等参数的影响。此外,他们还从理论上计算了材料厚度变化对其载流子迁移率和带隙结构的影响,揭示了可饱和吸收体的非线性和吸收随材料厚度变化的内在原因。


图1 不同厚度的SnS2材料表现出的吸收率的非线性变化及其单脉冲持续时间(激光强度630 mW)

图2 通过第一性原理计算得到的电子迁移率与SnS2层数的关系

文章表征了三种不同厚度的SnS2材料的非线性光学性质,并用于实现Q值可调的激光器。并通过第一性原理计算了不同厚度的SnS2材料的电子迁移率和能带结构变化。相关研究不仅能够有效实现可饱和吸收体的非线性控制,为后续工程化设计新型非线性光子器件提供技术参考,也为高性能光纤激光器的发展提供了可能,对进一步推动光子器件和激光器的工业实用化进程具有重要意义。
该工作以“Optical properties andapplications of SnS2 saturable absorbers with different thickness”为题作为封面文章发表在英文期刊Opto-Electronic Advances 2021年第10期。



研究团队简介

北京邮电大学刘文军教授课题组长期从事飞秒光纤激光产生及应用研究,研究团队包括青年教师、博硕士研究生等在内的20余人。该团队围绕“光纤激光器非线性效应有效控制及应用”这一关键科学问题,致力于通过新结构、新机制和新方法的引入提升光纤激光器的性能,支撑高精尖探测装备研发,服务国家大科学装置。在OL、OE、PR等光学期刊上发表学术论文100余篇,ESI高被引论文20余篇,ESI热点论文10余篇,他引4000余次,H因子41。获北京市“高创计划”青年拔尖人才(2017),中国光学学会光学科技奖二等奖(2020,第一完成人),中国材料研究学会科学技术奖一等奖(2020,第二完成人),英国物理学会(IOP)中国高被引学者(2019,2020)、中国百篇最具影响学术论文(2019)等。


论文原文:

Liu ML, Wu HB, Liu XM, Wang YR, Lei M et al. Optical properties and applications of SnS2 SAs with different thickness. Opto-Electron Adv 4, 200029 (2021) 


在线阅读及免费下载网址:

http://www.oejournal.org/article/doi/10.29026/oea.2021.200029


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