福州大学物信学院徐金龙、李福山教授联合南京大学、中科院福建物构所，在非线性光电效应领域取得了新进展，研究成果近日以“Broadband photodetection of intense lasers via exciton-enhanced high-order multiphoton-absorption optoelectronics in 2D hybrid perovskite”（《激子增强的高阶多光子吸收光电效应实现宽带强激光探测》）为题发表在Science Advances[11, eadt9952 (2025)]上。福州大学为该论文的第一完成单位。福州大学物信学院许彦明博士后、福建物构所徐豪杰博士为共同第一作者。物信学院徐金龙、李福山教授、福建物构所孙志华研究员、南京大学现代工学院周林教授为共同通讯作者。本工作也得到了南京大学祝世宁院士的悉心指导。
超快超强的飞秒激光是现代科学中重要的前沿领域，有力支撑了科研创新创造活动和先进制造技术发展。对飞秒激光超强超快的时空特性进行准确表征是其研究和应用的基本需要。但是常规的商用光电探测器饱和阈值较低，在飞秒激光超高的光强下会过饱和甚至产生不可逆的损伤。因此实际中需要用衰减片、分光元件或光限幅元件等光学器件对其衰减或分光再进行测量，但飞秒激光在这些光学元件上会产生超连续谱、谐波、克尔效应、自相位调制等多种非线性效应，引起一系列测量误差。因此研发可以对飞秒强激光直接表征的光电器件具有现实意义。
基于这一瓶颈问题，研究团队提出了通过激子偶极子效应极大增强高阶多光子吸收的机制，并通过设计层状钙钛矿的周期量子阱结构，调控量子限域和介电限域效应，实现了周期量子阱中强激子非线性效应和优秀电输运性能的平衡。研发的光电探测器成功实现高效的双光子至五光子吸收光电效应，可用于对800-2300nm的常用近红外波段飞秒激光的直接表征，饱和光强超过21GW/cm2。光强及波长响应范围均达到当前报道的多光子探测器的最高水平。探测器对两种高强度的飞秒激光（高斯光束和涡旋光束）均实现了准确成像，性能显著优于商用的硅基CCD、InGaAs探测器、热电阵列相机，证明了其在强场激光现象高精度表征上的重要潜力。
左图：激子-偶极子增强高阶多光子光电效应原理。右图：多光子探测器与商用探测成像器件对宽带飞秒强激光成像效果的对比
该项研究有效克服了主流光电探测器的固有局限，为解决当前飞秒强激光高精度表征上的技术限制提供了可行方案，也为发展基于高阶非线性的光电器件提供了新思路。同时，该工作证明了合理利用光电材料的激子特性可实现高性能的光电探测器件，这为发展激子光电子学开拓出新的途径。该研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、福建省闽江学者特聘教授、福建省优秀博士后等项目的资助。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt9952
