中红外波段石墨烯的可饱和吸收特性研究

Graphene can exhibit broadband nonlinear optical saturable absorption, and its ultra-wideband nonlinear response can be enhanced with increasing wavelength dramatically, which has many applications in visible and near infrared laser. In the mid-infrared wavelength region, the laser material and devices are insufficient. In the application, the nonlinear saturable absorption characteristics of graphene in the mid-infrared range (3-5 μm) will be studied. Based on the tunable mid-infrared pulsed laser and Z-scan technique, the saturable absorption characteristics of graphene and its composites will be studied theoretically and experimentally. The possible applications of graphene and its composites in mid-infrared range, such as saturable absorber and nonlinear filtering, will be explored.

石墨烯材料因具有独特的宽带可饱和光吸收效应，且其非线性响应在极宽的频谱范围内随波长显著增强，已在可见光和近红外激光技术等领域中有重要应用。本项目针对中红外波段（3-5μm）激光材料和器件的相对匮乏，开展石墨烯在中红外波段的可饱和吸收效应研究，理论和实验揭示石墨烯及其复合物在中红外波段的非线性可饱和吸收特性和规律，探索石墨烯及其复合物材料在中红外激光技术方面的应用，实验实现基于石墨烯的中红外激光锁模和非线性滤波。

石墨烯材料因具有独特的宽带可饱和光吸收效应，且其非线性响应在极宽的频谱范围内随波长显著增强，已在可见光和近红外激光技术等领域中有重要应用。本项目针对中红外波段（3-5 μm）激光材料和器件的相对匮乏，开展了石墨烯及类石墨烯材料在中红外波段的非线性光学特性研究及应用，取得了一些创新成果：（1）研究了少层石墨烯在中红外波段的非线性光学特性，实验测量获得了6-8层石墨烯在中红外波段的非线性吸收特性和非线性折射率，其非线性折射率比常规体材料大7个数量级，研究结果为发展中红外高非线性光学器件提供了参考；（2）研究了二维拓扑绝缘体材料的非线性光学特性，获得了其宽带非线性吸收特性和规律，其中发表在Optics Express上关于拓扑绝缘体非线性光学特性研究论文是该刊年度被引用最多的15篇文章之一，发表在Optical Material Express上关于拓扑绝缘体宽度非线性吸收的研究结果被Nanowerk等学术网站亮点报道；（3）发展了超短脉冲传输、放大的算法和程序代码，数值研究了基于石墨烯和类石墨烯材料的中红外锁模光纤激光输出特性，实验获得了稳定的中红外光纤激光输出，其中关于拓扑绝缘体锁模的一篇论文被审稿人评价为“重要的里程碑论文”，并入选Applied Physics Letters杂志近5年被引最多的30篇中国学者论文之一。. 研究结果在国内外主要刊物上发表SCI论文18篇，在国际会议作邀请报告2人次，申请国家发明专利4项，培养博士研究生3名、硕士研究生6名。