二硫化鈦納米片的非線性光學研究及超快光子學的應用

當今，在石墨烯的推動下，二維材料的層狀結構特徵，使其在光電子技術方面成為具有無限應用價值的材料。然而，石墨烯吸收係數較弱，滿足不了一些需要較強的光-物質相互作用方面的需求。另一方面，TiS2作為一種典型的過渡金屬硫化物，具有優異的導電性和穩定性，已被廣泛應用於電池電極，光熱治療和光電探測器等。對於層狀二維材料TiS2非線性光學的研究報道較少。

深圳大學張晗教授團隊與南京理工大學曾海波教授團隊合作，在少層TiS2納米片的超快光子學方面的研究取得重要進展。研究人員通過膠體化學方法製備了具有均勻形態、小尺寸分布的少層二硫化鈦納米片。 經過飛秒激光Z掃描系統測試，發現二硫化鈦納米片具有從400nm到1930nm的寬頻非線性光學響應。儘管與石墨烯同為零帶隙結構的二維材料，實驗表明，當層數約為10層時，二硫化鈦在通信波段處具有比石墨烯（6.2％）更高的調製深度（18％）。並且實驗測得的飽和強度為（9.91±0.32）MW/cm2，也高於石墨烯0.61 MW/cm2的強度。為了進一步驗證其特性及推廣二維材料的應用領域，研究人員設計了兩種形式的二硫化鈦納米片非線性光子學器件，即帶尾纖的可飽和吸收體結構和微納光纖複合結構。根據實驗需求，將前者應用於超短脈衝鎖模光纖激光器中，實現了中心波長為1569.5 nm，1.04 ps脈寬的優質鎖模脈衝序列的穩定輸出。後者則創造性的，利用同樣的吸收機理，實現了脈衝傳輸過程中雜訊抑制效果，即全光閾值。實驗證明，基於少層的二硫化鈦納米片的全光閾值器件可以將脈衝的信噪比由1.9 dB提升至10.68 dB，並保持80分鐘內穩定工作。研究結果表明，二硫化鈦具有優越的超快光子學特性。

該項工作已作為正封面論文發表於Advanced Optical Materials（DOI：10.1002/adom.201701166）上。

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