寬頻隙氧化物薄膜非線性吸收係數測量研究取得進展

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在寬頻隙氧化物薄膜非線性吸收係數測量研究方面取得進展。研究團隊透過抑制薄膜基底的非線性響應，提高測量信噪比，獲得了HfO₂、Al₂O₃和SiO₂等常用薄膜材料的非線性吸收係數。相關成果發表在Optical Materials Express（《光學材料快訊》）上。

HfO₂、Al₂O₃和SiO₂等薄膜材料是高功率鐳射系統中的常用材料，由於其光學帶隙較寬，在目前執行的超強超短鐳射中可以忽略其非線性光學響應。隨著國內100 PW鐳射裝置的建設，以及峰值功率向EW量級發展，薄膜材料微弱的非線性光學響應也將影響鐳射輸出效能。準確測量薄膜材料的非線性光學常數，是有針對性地設計超高峰值功率光學薄膜元件的基礎。

研究團隊提出了高靈敏度測試此類薄膜非線性吸收的方法。透過分析基底材料型別和厚度對薄膜測試的影響，最佳化選擇了超薄-超低非線性響應材料作為薄膜沉積的基底，提高了測量信噪比，測得HfO₂、Al₂O₃和SiO₂薄膜在343 nm及515 nm鐳射輻照下的雙光子和三光子吸收係數，對超高峰值功率鐳射薄膜的設計和製備具有實際指導價值。

研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項和特別研究助理專案的支援。

圖1.（a）基底基本無非線性響應，無需考慮其影響；（b）基底有非線性響應，可透過1+(T_f+s-T_s)提取出薄膜非線性吸收訊號。

圖2.Al₂O₃膜在不同波長輻照時的歸一化透過率及其擬合曲線（a）λ=343 nm；（b）λ=515 nm.

表1.HfO₂、Al₂O₃和SiO₂薄膜及其體材料的雙光子及三光子吸收係數測試結果

來源：中國科學院上海光學精密機械研究所