任何材料的光學(xué)性質(zhì)都可以從其介電常數(shù)導(dǎo)出。我們知道介電體的介電常數(shù)大于0，而金屬的介電常數(shù)小于0。當(dāng)材料的介電常數(shù)趨近于0時，其光學(xué)性質(zhì)會發(fā)生許多奇妙的變化。例如光在其中傳播的相速度會趨于無限大，而最近的研究表明，材料的非線性光學(xué)性質(zhì)在介電常數(shù)趨近于0時也顯著增大。
目前，在光頻波段介電常數(shù)為0的材料主要有兩大類，一種是人工設(shè)計制備的金屬/介電體復(fù)合材料；另一種是一些載流子濃度小于常見金屬的導(dǎo)電氧化物，例如ITO（銦錫氧化物）。
浙江大學(xué)課題組發(fā)現(xiàn)超快光開關(guān)
圖1 ITO溶膠納米晶的線性、非線性光學(xué)性質(zhì)：a)不同摻雜濃度的ITO納米晶薄膜歸一化吸收光譜；b)載流子濃度和摻雜濃度的依賴關(guān)系；c)不同摻雜濃度的ITO納米晶薄膜的介電常數(shù)（實(shí)部）；d)介電常數(shù)近零點(diǎn)（ENZ）的波長和載流子濃度的依賴關(guān)系；e) 摻雜5%，f)12%的ITO納米晶薄膜的Z-掃描曲線。
浙江大學(xué)邱建榮教授課題組的劉小峰副教授最近研究發(fā)現(xiàn)，ITO這一介電常數(shù)近零點(diǎn)在近紅外波段的導(dǎo)電氧化物，可用來實(shí)現(xiàn)光通訊波段的超快光開關(guān)。相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Materials [29, 1700754 (2017)]上。
在實(shí)驗中，該課題組的博士生郭強(qiáng)兵通過濕化學(xué)法制備了尺寸約為10 nm的不同摻雜濃度的ITO納米晶，并將其制成薄膜，研究發(fā)現(xiàn)其介電常數(shù)近零點(diǎn)因載流子濃度不同，在1300 – 1600 nm范圍內(nèi)變化，并且非線性吸收測試表明，在相應(yīng)波段這些ITO納米晶薄膜都呈現(xiàn)負(fù)的非線性吸收系數(shù)，也即可飽和吸收。超快光譜測試表明，其源于自由載流子的響應(yīng)速率在100 fs量級，因此可用來實(shí)現(xiàn)超快光開關(guān)。
圖2 基于ITO納米晶薄膜的超快激光器：a)Er摻雜光纖脈沖激光器示意圖，（EDF，Er摻雜光纖；PC，偏振控制器；OC，輸出端；PI-TIWDM，不依賴偏振的波分復(fù)用器）；b) 激光的輸出光譜；c)鎖模脈沖輸出序列；d)自相關(guān)譜。
為了演示基于可飽和吸收效應(yīng)的超快光開關(guān)，該課題組將ITO納米晶制成復(fù)合薄膜，耦合到一摻Er光纖激光器中（圖2），成功實(shí)現(xiàn)了在1550 nm光通訊波段的鎖模脈沖激光輸出，最小脈沖寬度為593 fs，信噪比為56 dB。通過調(diào)制摻雜濃度，這一材料可以實(shí)現(xiàn)從近紅外到中紅外較寬波段的光開關(guān)。
和目前各類基于二維材料的光開關(guān)相比，這種基于氧化物的光開關(guān)具有更好的穩(wěn)定性，并且其可通過各種商用技術(shù)來實(shí)現(xiàn)大量制備，因此這一研究成果將為超快鎖模激光器的光開關(guān)提供更加可靠且經(jīng)濟(jì)的解決方案，也有望打破目前SESAM在商用可飽和吸收體市場的壟斷地位。
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