二维材料非线性光学性质及其应用综述
二维材料非线性光学性质及其应用综述
非线性光学是现代光学的一个重要分支，研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。近年来，二维材料因其独特的物理性质在非线性光学领域展现出巨大的潜力。本文综述了二维材料的非线性光学性质及其应用，重点介绍了二阶和三阶非线性极化率的测量方法、不同二维材料的非线性光学特性以及其在光学器件中的应用前景。
图1：光学非线性过程原理图及非线性过程和应用分类
近期，东南大学王俊嘉教授与中科院苏州纳米所余学超研究员在《Small》期刊发表综述文章，系统回顾了二维材料非线性光学性质的研究进展。文章全面总结了用于测量二维材料二阶（χ2）和三阶（χ3）非线性极化率的方法，并收集整理了多种二维材料的理论值和实验值。
图2：典型的非线性极化率测量装置原理图
为了深入了解各种二维材料的非线性响应，研究人员采用了多种测量技术，包括Z扫描法、多光子显微镜成像法、简并四波混频法、椭圆旋转法、时间分辨非线性干涉测量法和光束畸变测量法。
二阶非线性光学特性
不同系列的二维材料中χ2值存在显著差异。石墨烯、黑磷（BP）和偶数层过渡金属二硫族化合物（TMDCs）等材料由于中心对称结构，SHG响应往往特别弱。当施加外部电场或化学掺杂来破坏它们的中心对称结构时会产生SHG。
材料 | χ2值 |
|---|---|
石墨烯 | 极低 |
黑磷 | 极低 |
TMDCs | 强，层依赖性 |
InSe | 最大 |
GaS | 较小 |
GeSe, SnSe | 比MoS2大一个数量级 |
h-BN | 比GeSe, SnSe小两个数量级 |
图3：二维材料中的SHG
三阶非线性光学特性
与SHG相比，THG与材料的中心对称性无关。THG响应对激发波长和吸收很敏感，当激发波长的三倍频与材料激子波长相近产生激子共振时，将大大增强材料的三阶非线性响应。
材料 | χ3值 |
|---|---|
GaSe, GaTe | 比典型TMDCs高三个数量级 |
IVA-VIA族化合物 | 各向异性键导致面内各向异性 |
TIs | 相对较小，但可形成异质结构 |
图4：二维材料中的THG
应用前景
结合二维材料出色的光学非线性，在一些应用上可以获得增强的性能指标或实现新颖的功能。近年来，基于二维材料的超短脉冲激光器、太赫兹波发生器、非线性光学全息图、光调制器和光开关等光学应用的发展取得了显着进展。
图5：典型的二维材料非线性光学应用
面临的挑战
二维材料的制造过程中会出现表面缺陷、应变、空位、悬浮键等。并且现有的非线性理论模型无法很好地描述尺寸效应和多体效应，光学非线性可能受到载流子动力学和光致结构变化等动态效应的影响，这些问题都值得我们去深入探究。最大限度地发挥二维材料非线性的潜力对于非线性器件的广泛应用至关重要，我们期待未来会有更加令人兴奋的突破。
参考文献：
Xie, Z., Zhao, T., Yu, X., & Wang, J. Nonlinear Optical Properties of 2D Materials and their Applications. Small, 2311621 (2024).
https://doi.org/10.1002/smll.202311621