二维拓扑绝缘体三阶非线性光学效应的机制和调控研究

The unique properties of topological insulators, a quantum functional material, have renewed interest in condensed matter physics and some other fields. The material has the insulating bulk states and the metal surface states, which are induced by strong spin–orbit coupling and protected by time-reversal invariant. Topological ideas in photonics branch from exciting developments in solid-state materials, along with the discovery of topological insulators. Since 2012, our team has experimentally found that the two-dimensional topological insulators possess broadband nonlinear absorption characteristics and large nonlinear refractive index, which is similar to graphene. And we realized the ultrafast fiber laser output based on two-dimensional topological insulators for the first time. Here, we propose to investigate the third-order nonlinear optical properties of topological insulators both theoretically and experimentally. Moreover, enormous work will be done to clarify the influence factors of the nonlinear absorption and nonlinear refractive index, and thus to uncover the related physical mechanisms. Furthermore, we propose to prepare two-dimensional topological insulators controllably after understanding the usual nonlinear mechanism of topological insulator. In addition, based on the typical third-order nonlinear optical phenomena of topological insulators, the application of ultrafast mode-locker, optical switch, and wavelength converters will be developed. The research results will not only help us to deepen the understanding of the nonlinear optical properties of Dirac materials, but also to explore the potential application of topological insulators photonic devices.

拓扑绝缘体是一种具有奇异特性的量子功能材料，具有绝缘性体能带结构和受时间反演对称性保护的自旋分辨的金属表面态，是当前凝聚态物理等领域的研究热点，在光学和光子学领域也正在发展成一门新学科——拓扑光子学。2012年以来，申请人团队发现二维拓扑绝缘体具有类似石墨烯的宽波段非线性特性和大的非线性折射率，并首次基于此实现了超快激光输出。本项目拟在前期工作基础上，深入研究二维拓扑绝缘体的三阶非线性光学效应，理论结合实验阐明其非线性吸收和非线性折射率的影响因素，并揭示其物理机制。在此基础上，研究二维拓扑绝缘体三阶非线性光学特性的调控机制和方法，实现二维拓扑绝缘体非线性光学材料的可控制备。此外，研究基于二维拓扑绝缘体的一些典型三阶非线性光学现象，并发展其在超快激光锁模、光开关、波长转换等方面的应用。研究结果不仅有助于加深对狄拉克材料体系非线性光学特性的认识，更有助于拓展未来拓扑绝缘体光电器件的应用潜力。

拓扑绝缘体是一种具有奇异特性的量子功能材料，具有绝缘性体能带结构和受时间反演对称性保护的自旋分辨的金属表面态，是当前凝聚态物理等领域的研究热点，在光学和光子学领域也正在发展成一门新学科——拓扑光子学。本项目在前期工作基础上，深入研究了二维拓扑绝缘体的三阶非线性光学效应，理论结合实验阐明了其非线性吸收和非线性折射率的影响因素，并揭示其物理机制。研究了二维拓扑绝缘体三阶非线性光学特性的调控机制和方法，实现了二维拓扑绝缘体非线性光学材料的可控制备。此外，研究了基于二维拓扑绝缘体的一些典型三阶非线性光学现象，并发展了其在超快激光锁模、光开关、波长转换等方面的应用。主要取得以下一些成果：.(1)实验测量了二维拓扑绝缘体碲化铋等材料的宽波段非线性折射率和非线性吸收系数，发现二维拓扑绝缘体材料具有宽波段的非线性吸收特性和大的非线性折射率。同时，实验获得了材料参数和激发条件对二维拓扑绝缘体非线性光学特性的影响规律，揭示了束缚电子和自由载流子对其非线性折射率的贡献。.(2)理论结合实验研究了二维拓扑绝缘体材料参数、外场条件对其非线性光学特性的影响，实验获得了材料参数和外场对其光学特性的影响规律，研究结果对二维拓扑绝缘体的可控制备具有重要指导。.(3)实验研究了二维拓扑绝缘体的宽波段三阶非线性光学效应，并发展了其在脉冲激光产生、矢量光束调制、光开关等方面的应用，实验获得了不同波段稳定工作的脉冲激光光源和光学调制器件。.项目执行期间，项目组在国内外主要学术刊物上发表SCI论文35篇；培养博士研究生8名，硕士研究生2名。研究成果获得2018年度高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学奖二等奖。