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(xué)響應(yīng), 極大地擴展了二維材料在光子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)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(dǎo)的飽和吸收、超快的弛豫時間和高度的光學(xué)非線性, 為其在光子學(xué)領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ). 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(dǎo)、玻璃纖維、光學(xué)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(xué)性質(zhì)可以通過電選通、光激勵、或化學(xué)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(xué)領(lǐng)域不可動搖的地位. 目前, 許多不同的二維材料已被成功應(yīng)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(guān). 制備高質(zhì)量的材料, 設(shè)計器件的結(jié)構(gòu),充分發(fā)揮二維材料的非線性光學(xué)、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(xué)應(yīng)用正朝著高性能、高質(zhì)量和高集成度方向發(fā)展.

應(yīng)《物理學(xué)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(xué)的第一線的中青年科學(xué)家, 組織了本期的專題. 鑒于二維材料和光學(xué)屬于交叉學(xué)科, 具有多樣性及復(fù)雜性的特點,本專題只能重點介紹二維材料和非線性光學(xué)領(lǐng)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(dǎo)體材料及其異質(zhì)結(jié)在非線性光學(xué)和激光器領(lǐng)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(guān)和脈沖激光方面的應(yīng)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(dǎo)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(lǐng)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(xué)和光子器件中的應(yīng)用等.

本專題匯總了低維材料在非線性光學(xué)領(lǐng)域和光子器件應(yīng)用的研究現(xiàn)狀, 并對低維材料集成光子學(xué)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(xué)者對該領(lǐng)域的進一步了解, 吸引更多年輕學(xué)者的關(guān)注和加入, 為低維材料在光子學(xué)領(lǐng)域的實際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展增添新生力量.(客座編輯: 深圳大學(xué) 張晗; 中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所 王俊; 北京航空航天大學(xué) 張夢)