近期，中國科學院上海光學精密機械研究所空天激光技術與系統部王俊研究員團隊，在周期飛秒激光脈沖誘導二氧化釩相變光開關動力學研究方面取得進展。相關成果以“Heat accumulation and phase transition induction in VO2 thin film by femtosecond pulse-periodic radiation”為題發表在Optics Letters上。
 

　　VO2薄膜因其在室溫(340 K)附近的絕緣體-金屬相變特性備受關注，由于復雜的物理機制和在電子學、光子學中的應用前景而被廣泛研究。絕緣體-金屬相變的過程已經在不同時間尺度上進行了研究，揭示了VO2薄膜的復雜亞微米結構，以及隨著金屬相逐漸出現的結構相變統計特征。在周期脈沖輻射條件下，金屬相建立的過程在實際應用中非常重要，但目前仍然缺乏足夠的研究。
 

　　研究團隊在泵浦探測系統中利用電光開關，從第一個脈沖開始研究VO2薄膜中絕緣體-金屬相變的過程。通過求解熱方程，計算了在不同脈沖重復頻率下，VO2薄膜在最初200 μs激光輻射期間的溫度。在周期脈沖激光激發下，VO2薄膜吸收單脈沖能量后瞬時溫度達到其半導體-金屬相變閾值，由于金屬相的恢復時間相對較慢，在最初幾百微秒內多個脈沖連續激勵下導致殘留金屬相的累積。同時，激光脈沖會引起樣品產生溫度增量，長時間高重頻激光輻射可以使VO2達到相變溫度并建立熱平衡，主要機制為飛秒激光的熱積累效應。當激光輻射關閉時，可以觀察到相變恢復過程，該過程的持續時間與激光重復頻率成正比，并且由薄膜中金屬相的衰減決定。該研究為理解VO2薄膜的相變機制提供了基礎，有利于開發以脈沖周期模式工作的光學開關等方面的應用。
 

　　本工作得到了國家自然科學基金委、中國科學院、上海市科委項目支持。
 

　　圖1 在不同脈沖重復頻率的泵浦作用下，VO2薄膜的探測信號演變：(a)毫秒級；(b)亞毫秒級。(b)中較低的脈沖曲線是泵浦信號。