深圳市二维材料孔雀团队
【Appl. Mater. Today】低维材料在中红外光子学和光电子学中进展

       由于中红外(2 - 20 μm)和远红外(20-1000 μm)区域覆盖了许多气体分子的振动和旋转特征指纹光谱和三个大气传输窗口(2 -2.5 μm3.5 ~ 5 μm8 ~ 14 μm),中远红外脉冲激光光源和新型光子光源器件应用广泛,如在分子光谱、材料加工、气体传感、自由空间通信和医学等领域。由于低维材料具有高的三阶非线性系数、超快载流子动力学和优异的光学和电学特性,在中远红外脉冲激光和光子器件领域具有巨大的发展潜力。在这篇综述中首先介绍了低维材料的合成及其光学响应。在接下来的章节中,介绍和总结了基于低维材料的中远红外光子学,包括脉冲激光器、光调制器和光探测器。最后,展望了未来基于低维材料体系的光子学和光电子学的发展趋势。




1 用于中远红外激光和光子学的低维材料
(a) 从太赫兹到紫外波段的电磁谱;(b) 中红外和远红外激光,光子学和光电子学应用;(c) 几种典型的低维材料


       作者综述了低维材料具备哪些光学性质,才得以具备在中远红外器件方面的应用。 低维材料既有带间跃迁和带内跃迁导致具有超宽带的吸收范围。低维材料具有超快载流子弛豫过程和层间电荷转移过程,可以用来光调制器和探测器等器件。利用三阶非线性极化率特性的材料实部实现全光调制器件,三阶非线性极化率虚部材料实现锁模器件或者光限幅器件。




2 低维材料性质和中远红外光子学的应用

       作者总结了常见稀土掺杂光纤中简化的跃迁能级,分别总结了近年来利用低维材料实现的调Q和锁模脉冲输出实验。



3 常见掺杂稀土跃迁能级

       作者总结并分类了基于低维材料实现的光调制器:按照调制方法可以分为电光调制,热光调制,全光调制,声光调制和磁光调制;按照结构可分为自由空间光调制,光纤基光调制和芯片基光调制;按照改变光场特性可分为调节振幅,相位,偏振,波长和位置等调制器。作者总结了近年来基于低维材料实现的中红外直至太赫兹波段的光调制器。



4 光调制器分类

       作者总结并分类了基于低维材料调制器:分为基于单一材料和基于混合材料体系的光探测器,其中基于混合材料中有二维-二维,二维-一维,二维和零维等组合模式。



5 光探测器分类

       最后作者从集成化和智能化两方面展望了基于低维材料光子学的未来,并认为新材料,新机制和新结构会不断涌现,最终实现低维材料器件的商用。

       深圳大学博士生陈华龙与博士后高凌锋为文章共同第一作者,深圳大学徐世祥教授和教授为共同通讯作者。

【文章链接】

Recent advances of low-dimensional materials in Mid- and Far-infrared photonics   

Hualong Chen, Lingfeng Gao, Zhipeng Qin , Yanqi Ge , Karim Khan, Yufeng Song, Guoqiang Xie, Shixiang Xu, Han Zhang
Applied materials today,2020-09

DoI: 10.1016/j.apmt.2020.100800

https://doi.org/10.1016/j.apmt.2020.100800