类型b

王艳、董宁宁（n.n.dong@siom.ac.cn）和王俊（jwang@siom.ac.cn）来自中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部以及中国科学院大学材料与光电研究中心，于2024年6月在《中国激光》第51卷第11期发表了题为“二维材料非线性光学及超快动力学研究进展”的特邀综述。

本文主要围绕二维材料的非线性光学（Nonlinear Optics, NLO）特性展开讨论。随着二维材料在物理、化学、生物和能源等领域的广泛应用潜力逐渐显现，其非线性光学效应成为重要的研究内容。作者首先总结了几种二维材料的制备方法及其优缺点，并阐述了非线性光学的基本原理，包括二阶和三阶非线性效应。此外，文章还介绍了多种测试手段以表征这些材料的非线性光学特性，如Z扫描（Z-scan）、强度扫描（I-scan）和泵浦探测技术。通过这些技术，研究人员能够深入理解二维材料的超快载流子动力学行为。文章重点介绍了中国科学院上海光学精密机械研究所在二维材料非线性光学特性方面的研究进展，尤其是在调Q/锁模、激光防护和光调制等应用中的表现，并分析了当前面临的挑战和机遇。

二维材料的制备方法
二维材料的制备方法可以分为自上而下法和自下而上法两大类。自上而下法主要包括机械剥离（Mechanical Exfoliation, ME）和液相剥离（Liquid Phase Exfoliation, LPE），而自下而上法则包括化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）和分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE）。ME是最简单的获得层状材料的方法，但其缺点是产率低且难以制备大面积连续薄膜。LPE则具有简单、高效、低成本的优点，但样品厚度和形貌较难控制。CVD被认为是大规模生产高质量二维材料的有效方法，已成功用于制备石墨烯、黑磷（Black Phosphorus, BP）、六方氮化硼（Hexagonal Boron Nitride, h-BN）和过渡金属硫化物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDs）等材料。然而，CVD需要高温和惰性气氛，导致成本较高。此外，物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD）、热辅助转换（Thermal Assisted Conversion, TAC）和水热法等也可用于制备二维材料。

非线性光学的基本理论
非线性光学描述了强激光作用下材料中光与物质相互作用的复杂现象。当光强较弱时，光与材料间的相互作用遵循线性光学原理；但在高强度激光作用下，高阶非线性效应变得显著。常见的非线性效应包括非线性吸收（Nonlinear Absorption, NLA）、非线性折射（Nonlinear Refraction, NLR）和非线性散射（Nonlinear Scattering, NLS）。NLA又可分为饱和吸收（Saturable Absorption, SA）、反饱和吸收（Reverse Saturable Absorption, RSA）、多光子吸收（Multi-Photon Absorption, MPA）和自由载流子吸收（Free Carrier Absorption, FCA）。二次谐波生成（Second Harmonic Generation, SHG）是一种典型的二阶非线性效应，表现为材料吸收两个频率相同的光子后产生一个频率为原来两倍的光子。SHG通常存在于非中心对称的空间群材料中，而中心对称空间群材料的SHG信号来源于外部影响引起的不平衡电子结构。

非线性光学测试技术
为了研究二维材料的非线性光学特性，研究人员开发了多种测试技术。Z扫描技术是测量三阶非线性参数的强大工具，可用于获取材料的非线性折射率和NLA系数等信息。对于微观样品，显微Z扫描（μ-Z-scan）和显微强度扫描（μ-I-scan）能够实现更精确的测量。反射式SHG测试装置适用于不透明材料或衬底，可获得SHG光谱信息和晶格取向信息。泵浦探测系统则是研究材料内部载流子超快动力学行为的重要手段，能够揭示光生载流子随时间的演化过程。

具有光学非线性的二维材料家族
文章详细介绍了几类具有非线性光学特性的二维材料，包括元素型二维材料（Xene）、二维金属硫化物、过渡金属碳/氮化物（MXene）、氮化物和有机二维材料等。石墨烯是最具代表性的Xene材料，其宽带吸收特性和独特的晶体结构使其在激光器锁模、光调制器和激光防护等领域具有广阔的应用前景。然而，石墨烯的零带隙限制了其在某些光电领域的应用。相比之下，BP具有可调谐的直接带隙（0.3~2.0 eV），弥补了石墨烯和TMDs之间的带隙空缺。碲烯（Tellurene, Te）和锑烯（Antimonene, Sb）等新型Xene材料也表现出优异的非线性光学特性。例如，Te纳米片在宽光谱范围内具有显著的SHG响应，而Sb纳米片则在可见光和近红外区域表现出SA和双光子吸收（Two-Photon Absorption, TPA）响应。

二维金属硫化物的研究进展
二维金属硫化物主要包括TMDs和主族金属硫化物。TMDs的化学式通常为MX2（M为过渡金属元素，X为硫族元素），其单层结构由两个硫属原子夹着一个过渡金属原子组成。MoS2、MoSe2、WS2和WSe2是最受关注的TMDs材料，它们的块体是间接带隙，但在单原子层中是直接带隙。这种独特的性质使TMDs在光电子领域具有广泛的应用潜力。研究表明，通过调节硫空位和结晶度可以控制MoS2薄膜的非线性光学特性。此外，TMDs在不同波长下的SA和RSA响应也为开发高性能光子器件提供了重要参考。

研究的意义与价值
本文系统总结了二维材料非线性光学特性的研究进展，为相关领域的研究人员提供了全面的参考。通过对制备方法、基本原理、测试技术和具体材料特性的深入探讨，文章揭示了二维材料在光子学和光电子学中的巨大潜力。特别是在调Q/锁模、激光防护和光调制等应用中，二维材料表现出优异的性能。此外，文章还指出了当前研究中存在的挑战，如如何提高材料的稳定性和优化制备工艺，为未来的研究方向提供了重要启示。

亮点与创新点
本文的亮点在于全面梳理了二维材料非线性光学特性的研究现状，并结合中国科学院上海光学精密机械研究所的具体研究成果进行了深入分析。文章不仅介绍了传统材料（如石墨烯和TMDs）的研究进展，还探讨了新型材料（如BP、Te和Sb）的非线性光学特性。此外，文章对多种测试技术的原理和应用场景进行了详细阐述，为相关研究提供了重要的技术支持。