APP  >> Vol. 9 No. 11 (November 2019)

    新型二维材料在固体激光器中的应用研究停顿
    Research Progress in the Applications of New Two-Dimensional Materials in Solid State Lasers

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作者:  

浦双双:长春理工大年夜学,高功率半导体激光国度重点实验室,吉林 长春;长春新家当光电技巧无限公司,吉林 长春;
张文彦,周 阳,任广胜,孟祥峻,杜 闯,王启晗:长春新家当光电技巧无限公司,吉林 长春;
吕 冬:西南交通大年夜学,四川 成都;
方 铉:长春理工大年夜学,高功率半导体激光国度重点实验室,吉林 长春

关键词:
新型二维材料固体激光器研究停顿New Two-Dimensional Materials Solid State Lasers Research Progress

摘要:

自从红宝石激光器问世以来,固体激光器一向都是激光器生长的重要导向,加上从上世纪八十年代开端,半导体激光器等新型固体激光器类型的出现让光电行业重新焕产活力。在固体激光器应用新型二维材料,晋升固体激光器的性能和应用寿命,是将来光电市场固体激光器的生长趋势。本文以新型二维材料在固体激光器中的应用为出发点,阐释技巧的优势和应用的须要性,旨在为相干任务者展开任务供给必定的自创和启发。

Solid state lasers have been the main direction of laser development since the introduction of the Ruby laser. Since the 1980s, the emergence of new solid laser types such as semiconductor lasers has brought the optoelectronic industry back to life. Using new two-dimensional materials, the performance of solid state lasers can be highly improved, which should become the development direction of laser in future. In this paper, we discussed the advantages and necessities of this technology from the point of applications in solid state lasers. Then we want to provide some ref-erence and inspiration for the relevant workers to carry out their work.

1. 新型二维材料的应用前景

二维材料就是分子层单层、外部有共价键和离子键连接支撑的材料,由于构造的特点,招致其在性能上比拟传统天然材料具有更大年夜的应用价值,如图1为其构造图。

Figure 1. Two-dimensional nanomaterial structure diagram

图1. 二维纳米材料构造图

二维材料的应用范围异常广泛 [1],光电行业、高新技巧行业等都有二维材料的触及。新型二维资估中应用较为广泛的有二维六方氮化硼、黑磷、氧化物等 [2],以过渡性金属碳化物为例,过渡性金属碳化物具有异常不错的强度和硬度 [3],并且抗热性和化学反响活性较低,所以过渡性金属碳化物在储能材料、极端条件下应用也是愈发广泛 [4]。由于其催化功能较好,并且具有超导性,是以在电子和化学范畴也有异常广泛的应用。新型二维材料例如石墨烯、拓扑绝缘体、黑磷(BP)等等 [5],在光电范畴中逐步展示出其魅力,由于其具有非线性光学特点,所以可以成为激光脉冲调制中的可饱和接收体 [6],如图2所示非线性光学视角的激光脉冲。

Figure 2. Nonlinear optical angle of laser pulse

图2. 非线性光学视角的激光脉冲

2. 激光器道理及应用前景

2.1. 固体激光器道理及应用

激光是受激辐射以后,引诱或许激起光子队列采取异样的步调射出的光源,比拟传统意义上的天然光线和天然光线,激光的应用范围异常广泛,从高新技巧行业到通信技巧 [7],再到美容医学范畴 [8],激光都有不错的应用价值,而激光也被称为20世纪以来人类的第四大年夜重要创造 [9],能与电脑、核能和半导体等量齐观,足以见得激光行业在将来的生长前景是相当广阔的。图3所示,激光器就是产生激光的天然光源 [10],也是激光的终究来源。不管是电脑、核能、半导体照样激光,今朝人类摸索的范围不过百里挑一,并且激光器的改革仍在赓续停止。

Figure 3. Laser source

图3. 激光光源

激光器的种类单一,按照其任务性质的不合可以分为固体、气体、液体等三大年夜类 [11],激光器的道理就是经过过程光学、电学的鼓励方法,让任务介质接收能量并且完成粒子的翻转和保持。为了能让激光有优胜的偏向习气和相干性,采取不合道理制造的激光器,其经济价值也各不雷同 [12]。拔取了今朝较为罕见的激光器停止比较分析(如表1),灯泵固体激光器和蔼体激光器的设备体积较大年夜,也设备的应用寿命较短,是以其实不合适大年夜范围的经济活动,在光束质量上,半导体材料光束质量较差,其他三者光束质量都相对不错,全固态激光器设备寿命、体积和光束质量、电光效力都异常不错,经过过程各类激光器的体积、寿命、光束质量和光电效力比较,固体激光用具有较高的经济价值。然则光电效力最高的半导体激光器,假使可以在光束质量上加以控制,在经济效益上要比全固态激光器更大年夜 [13]。

Table 1. Comparison of characteristics of high power lasers (Electro-optic efficiency approximation)

表1. 大年夜功率激光器的特点比较(电光效力近似计算)

2.2. 固体激光器中应用新型二维材料的优势

从以上特点分析中也能够发明,半导体激光器的电光效力远远高于同类其他激光器类型,是以假设能晋升光束质量,其经济效益会完成质的冲破。设备体积、应用寿命等诸多方面,都要比其他类型的激光器更出众。上文中也简介了新型二维材料具有独特的光电性能,是以在半导体激光器上或许全固态激光器上应用新型二维材料,能完成高质量光束的输入。是以在固体激光器(如图4)的应用中加上新型二维材料,是将来生长的课题 [14]。

Figure 4. Solid state laser

图4. 固体激光器

3. 新型二维材料在固体激光器中的应用研究

3.1. 新型二维材料在固体激光器中的应用优势

新型二维资估中很多材料都具有不错的光电性能,本文将简单简介石墨烯、过渡金属硫系化合物、拓扑绝缘体、黑磷在激光器中的应用优势。

Figure 5. Structure of Transition metal sulfur compound, Topological insulators and black phosphorus

图5. 过渡金属硫系化合物,拓扑绝缘体和黑磷构造图

石墨烯具有异常不多的电子传输特点 [15],也是迄今为止技巧范围内已知的具有导电性和电光效力的光电材料。其他三种都具有较为不错的应用价值,不管是过渡金属硫系化合物、拓扑绝缘体照样黑磷都有应用在固态激光器中的价值,如图5所示,详细见表2新型二维材料性能分析比较。

Table 2. Comparison of performance analysis of new two-dimensional materials

表2. 新型二维材料性能分析比较

3.2. 新型二维材料在固体激光器中的应用中须要处理的成绩

新型二维材料并未在固体激光器范畴中取得异常广泛的应用,其缘由也不言而喻,虽然材料的性质较为优胜,然则还没有找到一款兼备导电性能、光学性能和长命命的新型二维材料 [16]。

以石墨烯为例,其导电性和光导率导致其异常合适应用到固体激光机中,然则由于电子构造的缘由,其应用寿命不如黑磷、过渡金属硫化物。同时今朝石墨烯的应用依然逗留在实验室阶段,虽然今朝石墨烯在电子设备上取得应用和推行,然则其借助的都是石墨烯的导电性和热传导性能,其光电性能并没有取得广泛的应用 [17]。今朝石墨烯的制备方法是胶带法剥离如图6 (Geim, Novoselov等人提出),其生长时间在十五年阁下,是以仍须要很长一段时间沉淀技巧。

4. 新型二维材料在固体激光器中的应用的将来展望

新型二维材料是人工分解,是以在原子构成和分子构造上具有异常的可塑性,然则就今朝的情况来看,由于技巧实力依然不完全,招致新型二维材料在性能上仍有异常大年夜的进步空间 [18]。科研部分和大年夜学研究所也应当加强科技创新力度,加强新型二维材料的研究,并且加大年夜相干专业的技巧人员和科研人员的培养,促进新型二维材料的质的冲破和光电行业的赓续生长。由于今朝很多研究照样针对实验室内展开,所以将新型二维材料应用到固体激光器中依然有很大年夜的实施难度 [19],然则一旦完成必定是光电行业的汗青性冲破。

Figure 6. Stripping method for preparing graphene

图6. 胶带法剥离制备石墨烯

5. 结语

总而言之,激光在生活中的感化愈发重要,是以采取新技巧晋升激光器的效力和光线质量也是势在必行。由于新型材料的化学特点独特,导电性和导热性都异常不错,将成为现代固体激光器改革的重要基石。但正是由于技巧的抢先性也招致新型二维材料在光电行业的应用艰苦重重,所以更须要加强技巧研究,待到技巧成熟今后,必将会惹起光电行业的大年夜改革和大年夜更改 [20]。不管是激光器临盆厂家照样科研研究所,都应当对新型二维材料在固态激光器中的应用抱以孜孜不倦的研究 [21] [22],以完成技巧的改革和技巧的进步。

NOTES

*通信作者。

文章援用:
浦双双, 张文彦, 周阳, 任广胜, 孟祥峻, 杜闯, 王启晗, 吕冬, 方铉. 新型二维材料在固体激光器中的应用研究停顿[J]. 应用物理, 2019, 9(11): 417-423. https://doi.org/10.12677/APP.2019.911051

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