2004 年, 石墨烯的首次發(fā)現(xiàn)為具有獨特光子和光電特性的二維材料的發(fā)展打開了大門. 二維材料通常被稱為原子薄層材料, 其厚度可減至單層或幾層. 強的層內(nèi)共價和弱的層間范德瓦耳斯力是二維材料的典型特征. 不同厚度和電子結(jié)構(gòu)的二維材料使其可以在紫外到太赫茲的波長范圍內(nèi)進行光學響應, 極大地擴展了二維材料在光子學領域的應用范圍. 二維材料還具有優(yōu)異的光子特性, 如泡利阻塞誘導的飽和吸收、超快的弛豫時間和高度的光學非線性, 為其在光子學領域廣泛的應用奠定了基礎. 由于原子層的二維材料具有機械穩(wěn)定性和表面自然鈍化的特點, 可無選擇性地牢固地集成到其他結(jié)構(gòu)中, 如平面波導、玻璃纖維、光學微腔和其他二維層狀結(jié)構(gòu), 而不會出現(xiàn)“晶格失配”問題. 此外, 二維材料的光學性質(zhì)可以通過電選通、光激勵、或化學摻雜來精確控制. 二維材料的這些優(yōu)點奠定了其在集成光子學領域不可動搖的地位. 目前, 許多不同的二維材料已被成功應用于各種光子器件, 包括光調(diào)制器、光探測器、飽和吸收體和光開關. 制備高質(zhì)量的材料, 設計器件的結(jié)構(gòu),充分發(fā)揮二維材料的非線性光學、高載流子遷移率和各向異性等特性, 是獲得高性能器件的必要條件. 作為21 世紀最熱門研究課題之一, 基于二維材料的光子學應用正朝著高性能、高質(zhì)量和高集成度方向發(fā)展.

應《物理學報》編輯部的邀請, 我們邀請了部分活躍在研究二維材料集成光子學的第一線的中青年科學家, 組織了本期的專題. 鑒于二維材料和光學屬于交叉學科, 具有多樣性及復雜性的特點,本專題只能重點介紹二維材料和非線性光學領域的部分研究成果, 與讀者和同行分享. 本期專題文章大致分成如下幾方面: 1)低維半導體材料及其異質(zhì)結(jié)在非線性光學和激光器領域的研究進展;2)二維材料在全光器件的研究進展和發(fā)展前景; 4)等離激元納米材料在超快光開關和脈沖激光方面的應用進展; 5)二維過渡金屬硫化物在二次諧波中的研究現(xiàn)狀; 6)太赫茲半導體激光光頻梳研究進展; 7)二維納米材料及其衍生物在激光防護領域中的研究進展; 8) GeSe2、MnPS3、Ag@SiO2、鉍納米片、碳納米管在非線性光學和光子器件中的應用等.

本專題匯總了低維材料在非線性光學領域和光子器件應用的研究現(xiàn)狀, 并對低維材料集成光子學的發(fā)展前景進行了展望. 我們衷心地希望本專題能有助于海內(nèi)外華人學者對該領域的進一步了解, 吸引更多年輕學者的關注和加入, 為低維材料在光子學領域的實際應用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展增添新生力量.(客座編輯: 深圳大學 張晗; 中國科學院上海光學精密機械研究所 王俊; 北京航空航天大學 張夢)