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王枫秋课题组:狄拉克半金属——驱动新一代中红外超短脉冲激光研发的利器

2017-03-30

中红外超短脉冲激光器在瞬态效应研究、高速通信、精密光谱以及医学传感技术等领域具有极高的应用价值。虽然超短脉冲激光已有近半个世纪的发展历史,但受材料和器件技术的制约,直接利用谐振腔产生高峰值功率、可便携的中红外(3-20 μm波段)的超短脉冲仍处于探索阶段。

超快光开关可以在皮秒或亚皮秒的时间内实现光吸收状态的转变,是实现激光被动锁模(一种最常用的超短脉冲产生机制)的关键元件。然而,受限于可选用的材料种类,半导体可饱和吸收镜(SESAM)的工作波长一般小于3 μm。基于低维材料(如碳纳米管、石墨烯,以及其他新兴窄带隙二维材料)的光开关器件虽然具有优异的光学带宽,但由于缺乏有效的调控手段,在器件光学参数精控方面一直没有取得实质性的突破。缺乏关键参数可以大范围调控的中红外超快开关已经成为了阻碍中红外超短脉冲激光发展的核心障碍。


图1 狄拉克半金属中超快载流子弛豫调控示意图

作为新型量子材料,狄拉克半金属近年来受到广泛的关注。狄拉克半金属具有和石墨烯类似的能带结构,因而也被称为“三维石墨烯”。南京大学王枫秋教授课题组与科研合作团队(复旦大学修发贤教授、电子科技大学李剑峰教授、澳大利亚Wollongong大学张潮教授等),首次利用中红外抽运-探测技术系统研究了三维狄拉克半金属薄膜材料Cd3As2的超快光学性能。相关工作发表在Nature Communications [8, 14111 (2017)]上。

实验结果表明,Cd3As2薄膜在3-6 μm这一重要的中红外波段具有显著的超快光开关效应(或可饱和吸收效应)。更为重要的是,该团队还通过Cr元素掺杂的方式,成功实现了Cd3As2弛豫时间的灵活调控。理论计算显示,Cr掺杂可以打开新的载流子弛豫通道,从而有效缩短材料的开关时间(即光生载流子复合时间)。


图2 (a) 三维狄拉克半金属Cd3As2在3-6 μm波长处的弛豫曲线。在时间零点处样品的透射率变大,表明Cd3As2在测试波长范围具有显著的可饱和吸收特性。(b) 在6 μm波长下,不同Cr掺杂浓度样品的弛豫曲线。随着Cr浓度的增大,Cd3As2的光开关时间明显变快。

相比于同样具有狄拉克能带结构的石墨烯,狄拉克半金属薄膜与中红外光子具有更强的相互作用,且不易受到介电环境的干扰,在制备实用光学器件方面具有更突出的优势。通过选择具有不同载流子弛豫时间的狄拉克半金属薄膜作为腔内光开关,该研究团队还展示了3 μm光纤激光器两种不同脉冲输出状态(调Q态和锁模态)的可控切换。

该研究成果首次论证了狄拉克半金属是制备高性能中红外脉冲激光器的理想开关材料,填补了中红外光电子领域的一个重要的技术空白,对推动中红外脉冲激光及光谱技术的实用化具有重要意义。

论文链接:http://www.nature.com/articles/ncomms14111