近日，浙江大学现代光学仪器国家重点实验室邱建荣团队在间接半导体硒化钨材料中，采用共振抽运的方法通过声子辅助实现了增强的反斯托克斯非线性响应。

声子（phonons）是格波振动能量的量子化。电子跃迁过程中，声子通常以形变势能相互作用（声学声子）或者Fröhlich相互作用（光学/同极声子）的形式参与其中，以保证整个过程的能量和动量守恒。在过渡金属硫族化合物体系中，由于激子结合能很大（可以达到500 meV），相比于光学声子，声学声子耦合效率很低以至于可以忽略不计。基于不同类型的电子跃迁，半导体非线性材料可以对激光脉冲的强度、频率、相位、偏振等参数进行调控。但是材料的光学非线性本质上很弱，这是因为它描述的是光与物质的高阶相互作用，即材料对所施加电磁场振幅状态的非线性响应。具有强相互作用的非线性材料对于研究非线性效应基础理论及其实际应用非常重要。然而，采用图案化“阵列结构”或者“天线结构”等通过人工微结构以及表面等离子体增强效应提高光学非线性的方法，相应的制备工艺复杂，并且对过渡金属硫族化合物体系而言其可操作性差。

图1 （a）光致发光光谱，其中800 nm位于能带附近；（b）硒化钨晶体的Z扫描曲线；（c）归一化透过率和抽运功率密度之间的关系

共振抽运是提升半导体材料中光与物质相互作用的有效手段，同时也能有效增强激子-声子-光子间耦合，从而实现声子辅助的电子跃迁，增强非线性光学效应。实验中，采用化学气相沉积的方法合成具有均一厚度的硒化钨半导体材料。选择800 nm的飞秒光源作为抽运光源，其能量略高于材料的能带宽度。实验结果表明，多层硒化钨在800 nm飞秒抽运下有显著的反饱和吸收响应（或者光限幅效应）。一般对二维半导体材料而言，光源能量高于材料的能带宽度时，抽运到价带中的电子迅速驰豫到能量较低的能级，形成饱和吸收响应。然而，共振抽运时，跃迁到导带中的电子在共振抽运效应下会继续吸收光子，同时湮灭声子，向更高能级跃迁，形成反饱和吸收响应。更为重要的是，衡量材料实际应用的光限幅阈值为21.6 mJ•cm^-2，低于目前报道的其他材料的阈值，表明多层硒化钨半导体具有很好的应用潜力。

图2 硒化钨晶体中反饱和吸收过程

该研究成果首次在过渡金属硫族化合物中论证了共振抽运通过声子辅助实现增强的反斯托克斯（anti-Stokes）非线性效应，填补了近红外光电子领域一个重要的技术空白，对推动研究非线性过程及光限幅的实用化具有重要意义。该研究成果以Reverse Saturable Absorption Induced by Phonon‐Assisted Anti‐Stokes Processes为题发表在Advanced Materials (2018,1801638)上。本文第一作者为华南理工大学博士生田祥岭，通讯作者为浙江大学邱建荣教授，合作者包括浙江师范大学魏荣妃博士和华南理工大学赵宇军教授等。本工作获得了国家重点研发计划和中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室的经费支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201801638