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福州大學物信學院徐金龍、李福山教授聯(lián)合南京大學、中科院福建物構(gòu)所，在非線性光電效應領域取得了新進展，研究成果近日以“Broadband photodetection of intense lasers via exciton-enhanced high-order multiphoton-absorption optoelectronics in 2D hybrid perovskite”（《二維雜化鈣鈦礦中激子增強的高階多光子吸收光電效應實現(xiàn)寬帶強激光探測》）為題發(fā)表在Science Advances上。

超快超強的飛秒激光是現(xiàn)代科學中重要的前沿領域，有力支撐了科研創(chuàng)新創(chuàng)造活動和先進制造技術(shù)發(fā)展。對飛秒激光超強超快的時空特性進行準確表征是其研究和應用的基本需要。但是常規(guī)的商用光電探測器飽和閾值較低，在飛秒激光超高的光強下會過飽和甚至產(chǎn)生不可逆的損傷，因此實際中需要用衰減片、分光元件或光限幅元件等光學器件對其衰減或分光再進行測量。同時，飛秒激光在這些光學元件上會產(chǎn)生超連續(xù)譜、諧波、克爾效應、自相位調(diào)制等多種非線性效應，引起一系列測量誤差，因此相關研發(fā)對飛秒強激光直接表征的光電器件具有現(xiàn)實意義。

基于這一瓶頸問題，研究團隊提出了通過激子偶極子效應極大增強高階多光子吸收的機制，并通過設計層狀鈣鈦礦的周期量子阱結(jié)構(gòu)，調(diào)控量子限域和介電限域效應，實現(xiàn)了周期量子阱中強激子非線性效應和優(yōu)秀電輸運性能的平衡。研發(fā)的光電探測器成功實現(xiàn)高效的雙光子至五光子吸收光電效應，可用于對800-2300納米的常用近紅外波段飛秒激光的直接表征，飽和光強超過21GW/cm²。光強及波長響應范圍均達到當前報道的多光子探測器的最高水平。探測器對兩種高強度的飛秒激光（高斯光束和渦旋光束）均實現(xiàn)了準確成像，性能顯著優(yōu)于商用的硅基CCD、InGaAs探測器、熱電陣列相機，證明了其在強場激光現(xiàn)象高精度表征上的重要潛力。

左圖：激子-偶極子增強高階多光子光電效應原理；右圖：多光子探測器與商用探測成像器件對寬帶飛秒強激光成像效果的對比

該項研究有效克服了主流光電探測器的固有局限，為解決當前飛秒強激光高精度表征上的技術(shù)限制提供了可行方案，也為發(fā)展基于高階非線性的光電器件提供了新思路。同時，該工作證明了合理利用光電材料的激子特性可實現(xiàn)高性能的光電探測器件，這為發(fā)展激子光電子學開拓出新的途徑。

福州大學為該論文的第一完成單位。本工作得到了南京大學祝世寧院士的悉心指導，福州大學物信學院許彥明博士后、福建物構(gòu)所徐豪杰博士為共同第一作者，物信學院徐金龍、李福山教授、福建物構(gòu)所孫志華研究員、南京大學現(xiàn)代工學院周林教授為共同通訊作者，其他合作者還包括物信學院黃衍堂教授。該研究獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、福建省閩江學者特聘教授、福建省優(yōu)秀博士后等項目的資助。（徐金龍）
 作者： 福州大學物理與信息工程學院