浙江大学邱建荣课题组：可用于超宽带近-中红外脉冲激光的超快光开关

近日，浙江大学现代光学仪器国家重点实验室邱建荣课题组成功制备了具有极窄带隙的半导体，实现了从近红外到中红外各波段（0.8~5.0 µm）的非线性调控。该非线性材料同时具有显著的超快可饱和吸收效应。基于该可饱和吸收体，成功实现3.0 µm波段的调Q脉冲激光输出。

脉冲激光技术在信息、生物医疗、环境探测、基础科学等领域有着广阔的应用前景。基于脉冲激光技术形成了超快非线性光学、宽带光学频率梳、超快激光微纳制备等研究方向，为物理学、化学和信息科学的前沿研究提供了技术和平台，有力地推动凝聚态物理、化学、材料科学、纳米科学、医学、生物学等诸多领域的发展和进步。实现脉冲激光的核心元件之一是可饱和吸收体，它通过吸收状态的自动切换实现脉冲激光输出。目前，应用最广泛的光开关是半导体可饱和吸收镜（SESAMs），然而，这种器件制备工艺复杂、价格昂贵，对于1.3~1.5 µm波段仍存在挑战，并且其使用波长极限小于3 µm，这些不利条件制约了红外波段，尤其是中红外波段脉冲激光器的发展，因此可覆盖近-中红外波段宽带可饱和吸收体的研究是非线性光学的前沿热点之一。国内许多团队在相关领域有不少原创性工作。

图1 （a）半导体Bi2O2Se高倍TEM图像；（b）在1.55~5.0 µm波长处的驰豫曲线

实验中，采用溶剂热法制备硒氧化铋（Bi2O2Se）纳米片。基于第一性原理的密度泛函理论（DFT）计算确定其能带宽度约为0.14 eV。Z扫描技术确定Bi2O2Se纳米片在0.8~1.55 µm近红外区域具有很强的饱和吸收现象。实验结果还表明，Bi2O2Se纳米片在1.55~5.0 µm这一重要的近-中红外波段具有显著的超快光开关效应。该材料的饱和非线性响应覆盖近红外-中红外范围，理论极限可达8.8 µm，可用作近红外-中红外光开关。该团队搭建了中红外脉冲光纤激光器，并成功实现了2.86 µm调Q脉冲激光输出。

图2 基于Bi2O2Se光开关的中红外脉冲激光器

得益于极窄的能带宽度，Bi2O2Se纳米片覆盖超宽红外范围。相比于半导体可饱和吸收镜，Bi2O2Se纳米片与中红外光子具有更强的相互作用，且不用改变掺杂浓度就能对超宽范围的红外光具有非线性响应。制备方法简单、价格低廉，基于Bi2O2Se纳米片的光开关在制备中红外光学器件方面具有更突出的优势。

图3 Bi2O2Se光吸收和调Q脉冲激光

相关研究成果以An Ultra-Broadband Mid-Infrared Pulsed Optical Switch Employing Solution-Processed Bismuth Oxyselenide为题发表在Advanced Materials(2018, 30, 1801021)上。该工作由浙江大学邱建荣课题组主导完成，华南理工大学博士生田祥岭和电子科技大学博士生罗鸿禹为共同第一作者，通讯作者为浙江大学邱建荣教授和电子科技大学李剑锋教授，合作者包括浙江师范大学魏荣妃博士、南京大学王枫秋教授等。本工作获得了国家重点研发计划和华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室的经费支持。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201801021