近日，中国科学院与科睿唯安公司共同发布了一份《2017研究前沿》报告。在“物理学TOP 10热点前沿”的报告内容中，“基于二维材料可饱和吸收体的锁模光纤激光器”和“单层/多层黑磷的特性及其应用”均上榜。

        这两项研究缘何大热？应用前景如何？国内有哪些团队从事该项研究？

        中国激光邀请到上海光机所王俊研究员、复旦大学沈德元教授（主要对石墨烯、黑磷二维材料在短脉冲应用方面做出评述）、江苏师范大学赵鹭明教授、深圳大学张晗教授四位光学专家对其进行解读。

王俊  研究员  中科院上海光机所

2004年，石墨烯的发现在全球范围内掀起一场二维材料研究热潮。截至目前，几十种二维材料及其近乎无穷的堆垛组合已构成了一个规模庞大、功能多样的二维材料家族，为信息、能源、生物等领域不断提供着新的前沿研究增长点。

在《2017研究前沿》报告中物理学TOP10热点里有两项直接与二维材料相关的研究方向也反映出二维材料应用研究的潜力依然巨大。

“基于二维材料可饱和吸收体的锁模光纤激光器”成为研究热点，反映出目前技术成熟的低成本、高效能、宽波段响应的锁模材料和器件比较匮乏；同时，也反映出超短脉冲激光器具有的巨大应用潜力，特别是带隙跨度巨大的二维材料群（如石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷等）使特殊波段（如>2µm）的优质超短激光脉冲产生成为可能。

“单层/多层黑磷的特性及其应用”的研究成为引用增长最快的方向，体现了不同领域的科学家均对这种“个性”奇特的材料产生了极大的研究兴趣，使黑磷成为继石墨烯后又一种跨越信息、能源、生物等多领域的明星材料。面向应用，这些材料仍然存在诸多瓶颈问题，比如，二维锁模材料的激光损伤问题和黑磷的不稳定问题等，有待更多的研究工作去理解和解决。

诺贝尔奖对科学研究的导向和推进

左：沈德元 教授 复旦大学

右：赵鹭明 教授 江苏师范大学

这两项研究的开创和发展，与2010年诺贝尔物理学奖对石墨烯研究的肯定密切相关。2004年盖姆和诺沃肖洛夫从一片石墨中提取出了石墨烯，他们用常见的胶粘带获得了只有一个原子厚度的石墨烯，当时许多人认为这种薄的结晶状材料不可能稳定。但是，由于获得了石墨烯，科学家们现在可以研究具有独立特性的二维结构材料。

“基于二维材料可饱和吸收体的锁模光纤激光器”的研究实际上早于诺贝尔奖对石墨烯研究的肯定，而石墨烯的相关研究在2010年之后在科学界得到了井喷式的发展并进而拓展到二维材料。

黑磷作为二维材料的新代表，对其特性研究显示了对二维材料功能化的现实需求。在《2015 研究前沿》报告中，有关黑磷的特性研究以新兴前沿出现；2016 年进一步成为了热点前沿；今年，黑磷的特性研究再次入选热点前沿，且该前沿2016年单年的施引论文数达到881篇，是十个热点前沿中最活跃的一个。

在可预计的将来，二维材料必将大放异彩。

张晗 教授 深圳大学

随着石墨烯的发现及其奇异特性的不断挖掘，二维材料开始进入人们的视野，其涵盖了石墨烯、拓扑绝缘体、过渡族金属硫化物、黑磷、锑烯、铋烯等几十种不同的层状材料，并引起越来越多的关注。

“基于二维材料可饱和吸收体的锁模光纤激光器”的研究在探索超快过程，实现超快光开关，脉冲整形，激光加工，激光约束核聚变以及激光医学手术等许多领域有着广泛的应用价值。拓扑绝缘体独特的宽带非线性光学响应特性将突破现有光电器件带宽等限制，有希望发展成为新一代的非线性光电器件。

黑磷是二维材料的新宠儿，其带隙为0.3-2 eV，有效填补了零能隙石墨烯和大能隙过渡族金属硫化物（1-2 eV）之间的空白，且具有良好的电子迁移率（~1000 cm2/V·s）和非常高的漏电流调制率（是石墨烯的10000倍），与电子线路中的传统材料硅类似。此外，黑磷是一种带隙可调的直接带隙半导体材料，可以和光直接耦合。这些新颖的光电特性使其在光电器件，宽光谱超快激光光源，光通信等诸多研究领域有广泛的研究和应用价值。

二维材料领域国际竞争异常剧烈，原创性成果不断涌现。我国在二维光电材料可饱和吸收器件锁模激光技术研究领域已形成自己的鲜明特色，成为不可忽视力量，引领着本领域的发展，并在国际上产生了不容忽视的影响。一代材料，一代器件，二维层状材料的诞生为超短脉冲激光技术发展注入了新的活力和动力。有理由相信，在二维材料的推动下，超快激光技术的发展前景将呈现出良好的前景。

目前，国内诸多研究团队在相关领域开展研究，并取得了一定成果。科研团队包括中科院上海光机所张龙、王俊团队，深圳大学张晗团队，复旦大学沈德元团队，江苏师范大学赵鹭明团队，浙江大学邱建荣团队，上海大学牟成博团队，山东大学陈峰团队，华中科技大学翟天佑团队，武汉大学潘春旭团队，华南师范大学罗志超团队，南京理工大学曾海波团队，北京邮电大学刘文军团队，湖南大学赵楚军团队等。

部分科研进展如下：

2009年，张晗教授与鲍桥梁教授成功研发出世界上第一台基于石墨烯材料可饱和吸收体超快锁模光纤激光器，该工作在诺贝尔奖得主K. S. Novoselov教授的诺贝尔奖演讲报告中被提及并强调了其重要性和原创性。2012年，张晗团队实现了基于拓扑绝缘体的可调谐锁模激光输出。

中科院上海光机所张龙、王俊研究员团队在2013年报道了二维层状MoS₂纳米材料在近红外波段的优异超快饱和吸收性能。该团队在二维半导体材料、尤其是MoS₂、MoSe₂、 WS₂等低维材料在非线性光学领域研究方面取得多项进展。

复大学沈德元、江苏师范大学赵鹭明团队在掺铥光纤激光器中观测到矢量孤子的生成，揭示了光纤激光器中初始条件对暗孤子脉冲形成的影响，提出并实现了在掺铒光纤激光器中产生工作在L波段的飞秒脉冲，且飞秒脉冲的中心波长最长可达1603.6 nm。

浙江大学邱建荣团队长期从事功能玻璃和超快激光与玻璃相互作用物理机制及其在信息等领域应用的开拓性研究，发现了Bi掺杂锗酸盐等玻璃的超宽带近红外发光，提出基于低价Bi离子的发光机理，实现了带宽>200nm的光通讯波段的超宽带光放大。

上海大学牟成博团队通过使用碳纳米管聚合物复合材料作为可饱和吸收体，通过谐波锁模的方式，实现了最高次的10阶谐波锁模的稳定全光纤超快激光器。同时，该团队主要成果还有观测到螺旋吸引子，矢量光孤子的偏振动力学研究，基于偏振倾斜光纤光栅的高性能全光纤超快激光器。

武汉大学潘春旭团队通过强磁场辅助化学气相沉积法（CVD）实现了对CNFs的生长方向、形貌、微结构的可控制备；并于2017年提出了一个基于石墨烯应变—能带调控效应的新型“石墨烯基纳米发电机” 的概念。