近期，中國科學院上海光學精密機械研究所薄膜光學實驗室揭示了Epsilon-Near-Zero(ENZ)材料在超快激光作用下束縛電子和自由電子的競爭行為，提出了同步調(diào)控ENZ材料飽和吸收（SA）與反飽和吸收(RSA)的原理及方法，極大拓寬了其在ENZ波段的非線性光學響應調(diào)控能力。相關(guān)成果發(fā)表在Photonics Research。

ENZ材料是指在特定波長區(qū)間，材料的介電常數(shù)實部趨近于零圖片。理論上有限的介電常數(shù)變化就可以獲得極大的折射率改變，因此相比于其他非線性材料，ENZ材料具有更大非線性光學響應，是非線性光學領(lǐng)域的研究熱點。

課題組研究了典型ENZ材料（氧化銦錫）在飛秒激光作用下的非線性吸收響應，發(fā)現(xiàn)在ENZ波長（1440nm）泵浦下僅表現(xiàn)為SA效應，然而在非ENZ波長（1030nm）泵浦下，隨著泵浦光強增加由SA轉(zhuǎn)變?yōu)镽SA效應。研究解析了非ENZ波段SA和RSA轉(zhuǎn)變的原理：認為SA效應源于導帶自由電子的漂白過程，RSA效應源于價帶束縛電子的多光子吸收。同時，研究人員提出了薄膜退火技術(shù)抑制自由電子濃度實現(xiàn)電子漂白和多光子吸收競爭行為的調(diào)控。該方法實現(xiàn)了ENZ波長處120%的飽和吸收到95%的反飽和吸收的調(diào)控。

該研究從ENZ材料的基本性質(zhì)出發(fā)，解析其非線性吸收機理，獲得了同步調(diào)控超快激光SA和RSA的方法，有望發(fā)展在超快光場自適應調(diào)控、光開關(guān)以及光限幅方面的新應用。

該項研究獲得了國家自然科學基金和中科院戰(zhàn)略性先導科技專項的支持。

圖1 不同波長輻照下ITO薄膜的開孔Z-scan曲線.（a）、（b）1030 nm波長；（c）1440 nm波長。

圖2 退火前后的ITO薄膜在不同波長輻照下的強度依賴歸一化透過率。（a）1030 nm；（b）1440 nm。