东南大学吕俊鹏/倪振华团队在二维材料超快光子学领域取得进展

在国家自然科学基金项目等资助下，东南大学吕俊鹏、倪振华教授团队与山东大学何京良、张百涛教授团队合作，运用缺陷工程提升二维可饱和吸收体器件性能，实现了基于二维Bi2O2Se可饱和吸收体的高性能的锁模脉冲激光输出。相关研究成果以“通过二维Bi2O2Se可饱和吸收体中的缺陷调控实现高输出功率的锁模激光（High output mode-locked laser empowered by defect regulation in 2D Bi2O2Se saturable absorber）”为题，发表在《自然通讯》（Nature Communications）。

图1 a-c 原始Bi2O2Se纳米片的TEM图像；d-f Bi2O2Se纳米片经过较短时间氩等离子体辐照后的TEM图像；g-i Bi2O2Se纳米片经过较长时间氩等离子体辐照后的TEM图像。

图2 a 缺陷调控后的Bi2O2Se的差分反射率变化趋势；b 不同等离子体辐照时间下Bi2O2Se的非线性吸收变化；c 缺陷调控后Bi2O2Se可饱和吸收体的连续锁模输出的最大平均功率以及阈值泵浦功率趋势；d 1.0 µm 锁模全固态激光器性能对比。  

高输出功率的飞秒激光在精密加工、生物医学、和科学研究等领域展具有重要的应用价值。可饱和吸收体是实现超短脉冲的关键光学元件，直接决定锁模激光器性能。2009年以来，以石墨烯为代表的二维材料因具有十分优异的电子以及光学性能成为新一代高性能的可饱和吸收体材料和器件研究的热点。二维材料中包含种类丰富的缺陷，通过表面和缺陷工程可以有效调控二维材料的能带结构，进而对其电学、光学、磁学、机械等性能产生重要影响。然而，目前缺陷工程对二维材料中光生载流子动力学过程以及非线性吸收过程的调控机制尚未有详细报道。

Bi2O2Se是一种新型的二维光电材料，具有大的非线性吸收系数以及良好的空气稳定性。研究团队通过利用氩等离子体辐照不同时间来精准调控二维Bi2O2Se中O空位以及Se空位缺陷态密度，可有效提高二维Bi2O2Se中光载流子的捕获速率和缺陷辅助的俄歇复合速率，进而实现对其可饱和吸收参量的调控。将二维Bi2O2Se作为可饱和吸收体应用到全固态锁模激光器中，实现了飞秒锁模激光输出，通过缺陷工程对二维Bi2O2Se可饱和吸收体进行调控后，锁模激光性能得到了明显提高（功率更高、脉宽更短），实现了665mW、266fs的超短脉冲激光输出。

该项工作为二维材料超快载流子动力学过程以及非线性吸收特性调控提供了新途径，并为二维材料超快光子学器件的设计和开发奠定了理论基础。