In this review we survey the recent advances in nonlinear optics and the applications of two-dimensional 2D materials We briefly cover the key developments pertaining to research in the nonlinear opti

在这篇综述中，我们调查了非线性光学的最新进展和二维材料的应用。我们简要介绍了关于石墨烯这种典型的二维材料的非线性光学研究的关键发展。随后，我们讨论了几种其他二维层状材料的线性和非线性光学性质，包括过渡金属硫化物、黑磷、六方氮化硼、钙钛矿和拓扑绝缘体，以及包含二维材料的混合纳米结构的最新进展，如与染料、等离子体颗粒、二维晶体和硅集成结构的复合材料。最后，我们突出了几个代表性的当前二维材料应用于光子和光电子器件的应用。

材料在与电场相互作用时可以表现出与原子间电场（105-108 V/m）相当的非线性光学响应[1]。尽管约翰·克尔（John Kerr）在1875年观察到了固体和液体在强外部直流电场下的非线性光学响应[2]，但现代非线性光学的诞生可能可以追溯到Franken等人首次实验演示的二次谐波产生（SHG）[3]。使这成为可能的主要发展是第一台激光器的实验演示[4]。光学介质的非线性光学性质通过光学常数（如吸收和折射率）的场依赖性变化来体现，通常伴随着新的光学频率的产生。在这种情况下，材料的非线性光学响应可以根据导致光学常数变化的机制进行分类；一些最显著的光学非线性类型包括电子光学非线性[5]、热诱导光学非线性[6]和外部场诱导光学非线性[7-10]。

除了少数例外（例如表面SHG），非线性光学一直涉及在三维体光学介质中发生的非线性光学相互作用。这一范式随着最近二维（2D）材料的出现而发生了巨大变化，因为这些新发现的材料提供了一个新颖的2D平台，用于研究多种非线性光学效应。因此，对2D层状材料（2DLMs）的研究可能始于石墨烯的发现[11]，这种2D形式的石墨的独特和卓越性质引发了对这种2D材料的物理学和应用研究的快速增长的兴趣。特别是，石墨烯开始在光学和光子学的许多关键领域找到应用。这可能令人惊讶，因为石墨烯只吸收约2.3%的入射光[12]，所以它几乎不与电磁波相互作用。尽管如此，它的零带隙特性、异常大的化学和电学可调性以及Pauli阻塞等效应为光子纳米器件提供了独特的功能。例如，石墨烯表现出饱和吸收行为[13, 14]，在激光应用中可能起重要作用。此外，石墨烯具有大的非线性光学响应、超快的光激发动力学、高化学和机械稳定性以及大的热光阈值损伤，使其成为研究2D物理系统中非线性光学现象的理想试验平台[5-7, 15]。

其他类别的最近发现的2DLMs，即过渡金属硫化物（TMCs），如MoS2、MoSe2、MoTe2、WS2、WSe2和TiS2，硒化镓（GaSe），黑磷（BP），六方氮化硼（h-BN）和钙钛矿，扩展了2D材料具有的特定性质和功能的范围，因此也扩大了它们的技术应用的范围。这些材料的强光学非线性和超快响应已成功应用于全光调制器、用于被动模式锁定和Q开关的饱和吸收体（SAbs）、波长转换器和光限幅器[16-19]。这些2D材料在非线性光学中的成功在于它们满足理想非线性光学材料应具备的几个要求，包括大而超快的非线性光学响应、宽带和可调谐的光吸收、超快恢复时间、大的光学和热损伤阈值、高化学和机械稳定性以及低制造成本。在本文中，我们回顾了包含石墨烯和其他2D材料的光子结构中非线性光学的最新理论和实验进展。本文的组织如下。在下一节中，我们介绍与2D材料的线性和非线性光学性质相关的几个基本理论概念。然后，在第3节中，我们简要介绍几种适用于模拟2D材料光学响应的强大计算方法。第4节专门介绍用于表征2D材料光学性质的实验技术，而第5节则介绍了关于2D材料的非线性光学的一些相关结果。第6节介绍了基于2D材料非线性光学性质的几个关键应用，而第7节则提出了这个研究领域的主要结论和未来展望。