石墨烯-半导体量子点异质结可饱和吸收体的制备及特性研究

Graphene, as a new type of photoelectric material, exhibits the advantages of broadband absorption and ultrafast response. It is widely used in the development of saturable absorption devices, and plays an important role in the development of ultrafast laser field. However, weak light absorption seriously hinders the development of graphene mode-locked laser. In this project, graphene and semiconductor quantum dots are organically combined to form graphene-semiconductor quantum dots heterostructure. It will improve the saturable absorption performance of modulation depth, damage threshold and ultrafast relaxation by utilizing the advantages of high-efficiency light absorption of semiconductor quantum dots and ultrafast response of graphene. The main research contents include: (1) Fabrication, optimization and controllability of graphene-semiconductor quantum dots heterostructure; (2) Physical process of semiconductor quantum dots photo-induced carriers transferring to graphene and ultrafast relaxation, and the mechanism of heterostructure improving saturable absorption properties; (3) Fabrication of saturable absorption devices with large modulation depth, high damage threshold, ultrafast relaxation time and wide bandwidth, and their applications in high performance pulsed fiber lasers. Relevant research results not only help to enhance the understanding of saturable absorption dynamics, but also promote the further development of mode-locked lasers.

石墨烯作为一种新型光电材料展现出了宽带吸收和超快响应的优越性能，被广泛用于可饱和吸收器件的开发，对超快激光领域的发展具有重要推动作用。然而，石墨烯较弱的光吸收严重阻碍了石墨烯锁模激光器的发展。本项目拟将石墨烯与半导体量子点有机结合，形成石墨烯-半导体量子点异质结，利用半导体量子点高效光吸收和石墨烯超快响应的优点，提高异质结调制深度、损伤阈值及超快弛豫的可饱和吸收性能。主要研究内容包括：①石墨烯-半导体量子点异质结的制备、优化及可控性；②半导体量子点光生载流子向石墨烯转移并发生超快弛豫的动力学过程及其异质结提高可饱和吸收性能的机理；③调制深度大、损伤阈值高、弛豫时间超快、宽带可饱和吸收器件的制备及其在高性能脉冲光纤激光器方面的应用。相关研究成果既有助于加深对可饱和吸收动力学的认识，又能促进锁模激光器的进一步发展。

石墨烯作为一种二维光电材料展现出了宽带吸收和超快响应的优越性能，被广泛用于可饱和吸收器件的开发。然而，较弱的光吸收严重阻碍了石墨烯锁模激光器的发展。半导体量子点是一类新型的零维材料，具有较强的量子限域效应和量子尺寸效应，可以通过控制尺寸调节线性和非线性光学特性，在光电子技术领域具有广泛的应用前景，成为了世界范围内的研究热点之一。本项目将石墨烯与半导体量子点有机结合，形成了石墨烯-半导体量子点异质结，揭示了半导体量子点、石墨烯-半导体量子点异质结与激光非线性相互作用的机制，实现了基于两类材料的可饱和吸收器件，并发展了它们在锁模光纤激光器方面的应用。项目开展的主要研究内容包括：①利用热注入法制备半导体量子点（包括硫化铅量子点、硒化铅量子点），表征所得量子点的尺寸、形貌、X射线衍射及拉曼光谱特性，研究材料吸收系数与波长的关系；②将半导体量子点与标准单模光纤或聚合物薄膜结合，获得了两类低成本、大调制深度、高损伤阈值的可饱和吸收器件，在光纤激光器中实现了30 nm波长可调谐超短脉冲以及59.4 mW高功率孤子锁模；③利用滴涂法合成基于石墨烯-半导体量子点异质结的可饱和吸收器件，实现了信噪比为70 dB，脉冲宽度为550 fs稳定的自启动锁模脉冲。本项目研究成果不仅有助于加深对可饱和吸收动力学理论的认识，而且可以促进高功率超短脉冲光纤激光器的发展。项目执行期间发表SCI论文4篇，其中影响因子大于3的论文3篇，申请国家发明专利1项。