近期，中國科學院上海光學精密機械研究所邵建達研究員、趙元安研究員團隊，成功研制一種基于波紋結構ITO薄膜(CITO)的可飽和吸收體器件。該器件克服了平面介電常數近零(ENZ)薄膜中的ENZ 場增強效應固有的偏振和角度依賴問題，在0-20°范圍內實現了偏振無關的線性和非線性光學性能。相關成果以“A corrugated epsilon-nearzero saturable absorber for a high-performance 1.3 μm solid-state bulk laser”為題發表于Nanoscale。
 

　　平面ENZ薄膜中的ENZ場增強效應可以增強光與物質相互作用，產生強的非線性光學效應，減小實際應用的器件尺寸。結合其寬帶、互補金屬氧化物半導體(CMOS)兼容、可集成化、高調制速度等優勢，ENZ薄膜在基于非線性光學性能的激光器件方面具有重要的應用價值。但ENZ 場增強效應具有固有的窄帶、偏振依賴和角度依賴特征，極大地限制了基于ENZ材料的非線性光學器件的ENZ場增強效應有效利用。
 

　　本研究提出了利用基于半橢球殼激發單元實現ENZ偏振不敏感和廣角激發策略。并進一步構建了基于ENZ半橢球殼陣列的波紋ITO薄膜光耦合結構。利用低成本的自組裝工藝，制備了具有對稱幾何形狀的CITO薄膜。研究結果表明，其在1340 nm的0°激光入射下，非線性吸收系數為–609.9 cm/GW，是平面ITO薄膜的8倍。此外，在0–20°的寬角度范圍內，CITO薄膜的強非線性光學性能不受泵浦激光入射角和偏振態的限制。利用CITO薄膜優異的非線性光學性能，設計一種新型的ENZ可飽和吸收體，在1.34 μm成功實現了高性能的全固態脈沖激光輸出，與平面ITO薄膜相比，基于CITO可飽和吸收體的調Q激光輸出脈寬縮窄約10倍。該研究優化了基于ENZ薄膜的可飽和吸收體性能，同時為其他基于ENZ材料的光學器件的角度和偏振依賴問題提供了可靠解決方案，有利于脈沖激光調制器和高性能脈沖激光器的發展。
 

　　該工作得到了國家自然科學基金、中國博士后科學基金、中科院特別研究助理資助項目、上海市科委港澳臺合作計劃、中國科學院國際合作局對外合作重點項目的支持。
 

圖1 CITO可飽和吸收體的結構示意圖和其在1340nm的非線性吸收測試結果。
 

　　圖2 基于CITO可飽和吸收體的1.34μm被動調Q激光輸出結果。 (a)輸出功率；(b)脈沖寬度和重復頻率；(c)單脈沖能量和峰值功率；(d)不同時間尺度的典型脈沖序列圖；(e)發射光譜