近日，中科院上海光機(jī)所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部王俊研究員團(tuán)隊(duì)，在VO₂金屬相薄膜近紅外非線性光學(xué)響應(yīng)研究方面取得進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Optical dispersion of a metallic VO₂ film in the near-IR range”為題發(fā)表于Optics Letters。

VO₂材料因其可逆的絕緣體–金屬相變（IMT）特性，在光學(xué)限幅、全光調(diào)制與集成光子器件中備受關(guān)注。然而，既往研究多聚焦于其熱光效應(yīng)，未剖析金屬相下的非線性光學(xué)行為。

為此，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)的溫控Z-scan實(shí)驗(yàn)，結(jié)合Adomian分解法，建立了VO₂薄膜在300 K絕緣態(tài)與350 K金屬態(tài)的非線性吸收飽和模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飽和行為的精確擬合。并且，進(jìn)一步揭示了VO₂薄膜相變前后非線性折射率色散的演化機(jī)制：隨著溫度升高，色散響應(yīng)由束縛電子主導(dǎo)轉(zhuǎn)向自由載流子主導(dǎo)，且在相變前后實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的非線性折射率符號(hào)反轉(zhuǎn)。本研究揭示了VO₂從絕緣態(tài)到金屬態(tài)的非線性光學(xué)本征響應(yīng)，量化了束縛電子與自由載流子對(duì)色散演化的貢獻(xiàn)。成果為構(gòu)建面向近紅外波段的VO₂全光調(diào)制器與限幅器件提供了理論依據(jù)與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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圖1. VO₂薄膜在（a, b）300 K和（c, d）350 K下的z掃描測(cè)試結(jié)果。其中，左列為開(kāi)孔（OA）測(cè)試數(shù)據(jù)，右列為閉孔（CA）測(cè)試數(shù)據(jù)。不同溫度下，（e）非線性吸收系數(shù)β和（f）非線性折射率n₂的功率依賴性。

相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1364/OL.561020