基于狄拉克半金属材料可饱和吸收的超快激光研究

Dirac semimetal has a band structure similar to graphene, also known as three-dimensional graphene, it has broadband saturable absorption (1.6-6 um), ultrafast relaxation time, high damage threshold, low loss, so it has great application potential in the field of ultrafast laser. .This project takes Dirac semimetal Cd3As2 as the research object, using different reflection substrate for preparing Cd3As2 saturable absorption mirror (Dirac Semimetal Saturation Absorption Mirror, DSSAM), analyze the influence of different substrate on DSSAM performance of saturable absorption, reflectivity, loss and damage threshold, optimize the design of the DSSAM; Characterize the physical and chemical properties, spectrum and especially the nonlinear saturable absorption properties of Cd3As2 material, study the ultrafast relaxation mechanism of optical excitation; Theoretically study the ultrafast laser dynamics of Cd3As2, explore the intrinsic relationship between macro parameters and microstructure of the Cd3As2 in the mode-lock dynamic process; Based on Tm3+, Ho3+ doped crystal, realize the 2 um DSSAM mode-locked ultrafast laser output. .The research of the project is of great scientific value and guiding significance both in theory and practice for further study of the application of the new quantum material, Dirac semimetal, in the optoelectronic devices.

狄拉克半金属具有与石墨烯类似的能带结构，也被称为三维石墨烯，它具有宽带可饱和吸收（1.6-6 um）、超快弛豫时间、高损伤阈值、低损耗等优点，因而在超快激光领域有重要的应用潜力。本项目拟以狄拉克半金属Cd3As2为研究对象，使用不同反射基体材料制备Cd3As2可饱和吸收镜，分析不同基体对DSSAM的可饱和吸收、损耗、反射率、损伤阈值等性能的影响，对DSSAM进行优化设计；表征Cd3As2材料的物化、光谱、特别是非线性饱和吸收特性，研究光激励的超快弛豫机理；开展Cd3As2的超快激光动力学理论研究，探究Cd3As2锁模动力学过程的宏观参量与微观结构之间的内在关系；基于掺Tm3+、Ho3+晶体，实现2 um波段DSSAM锁模的超快激光稳定输出。项目研究将对深入探讨狄拉克半金属这种新型量子材料在光电子器件中的应用有重要的科学价值和指导意义。

狄拉克半金属具有与石墨烯类似的能带结构，也被称为三维石墨烯，它具有宽带可饱和吸收、超快弛豫时间、高损伤阈值、低损耗等优点，因而在超快激光领域有重要的应用潜力。本项目中，项目从理论和实验上系统的探索了狄拉克半金属材料非线性饱和吸收特性，研究了Mo0.5Re0.5S2和Ta2NiSe5两种新型可饱和吸收体的2 μm超快激光输出；以层状PtSe2和ReSe2作为研究对象，使用化学气相沉积法和液相剥离法成功制备出了高质量的PtSe2-SA和ReSe2-SA，探索该材料的制备工艺及其在全固态中红外波段中的脉冲激光应用特性，利用Z扫描技术研究了该材料的饱和吸收特性，实现了基于层状ReSe2和PtSe2的中红外波段脉冲激光输出；提出了通过采用多晶 Fe:ZnSe 作为可饱和吸收体 (SA) 在 2.7-μ m 光谱范围内直接产生脉冲光学涡旋的方法，建立了考虑改造后环形泵浦光传播特性的修正理论模型，以准确确定拉盖尔-高斯 (LG0,l) 模式的激发条件，环形泵浦光与LG0,1模式的优化匹配可以解释与TEM00模态相比的效率。利用指定的模式匹配、高偏振消光比（PER）以及SA对其他横向模式的“空间滤波器”效应，成功地产生了具有明确旋向性的纳秒标量光学涡旋；以超快THz光谱技术为手段，探究了Ⅱ类Dirac半金属PtTe2中的光激发超快载流子动力学，在亚皮秒时间尺度内观测到了反常且十分有趣的负THz光电导响应，基于PtTe2本身的强电声子耦合作用，提出了极化子模型，对所观测到的负光导现象进行了解释，对基于PtTe2的超快光电子器件的开发与设计提供了重要的平台与借鉴，所观察到的太赫兹负光导效应有可能被利用来设计新的常温太赫兹光电器件。共发表SCI论文20篇，申请发明专利3项（授权1项）。培养博士研究生2人，硕士研究生6人。综上所述，本项目研究内容和成果满足任务书的要求，达到了预期目的。