近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部王俊研究員團(tuán)隊(duì)，在周期飛秒激光脈沖誘導(dǎo)二氧化釩相變光開關(guān)動(dòng)力學(xué)研究方面取得進(jìn)展。相關(guān)成果以“Heat accumulation and phase transition induction in VO2 thin film by femtosecond pulse-periodic radiation”為題發(fā)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(guān)注，由于復(fù)雜的物理機(jī)制和在電子學(xué)、光子學(xué)中的應(yīng)用前景而被廣泛研究。絕緣體-金屬相變的過程已經(jīng)在不同時(shí)間尺度上進(jìn)行了研究，揭示了VO2薄膜的復(fù)雜亞微米結(jié)構(gòu)，以及隨著金屬相逐漸出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)相變統(tǒng)計(jì)特征。在周期脈沖輻射條件下，金屬相建立的過程在實(shí)際應(yīng)用中非常重要，但目前仍然缺乏足夠的研究。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)在泵浦探測系統(tǒng)中利用電光開關(guān)，從第一個(gè)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(jì)算了在不同脈沖重復(fù)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(fā)下，VO2薄膜吸收單脈沖能量后瞬時(shí)溫度達(dá)到其半導(dǎo)體-金屬相變閾值，由于金屬相的恢復(fù)時(shí)間相對(duì)較慢，在最初幾百微秒內(nèi)多個(gè)脈沖連續(xù)激勵(lì)下導(dǎo)致殘留金屬相的累積。同時(shí)，激光脈沖會(huì)引起樣品產(chǎn)生溫度增量，長時(shí)間高重頻激光輻射可以使VO2達(dá)到相變溫度并建立熱平衡，主要機(jī)制為飛秒激光的熱積累效應(yīng)。當(dāng)激光輻射關(guān)閉時(shí)，可以觀察到相變恢復(fù)過程，該過程的持續(xù)時(shí)間與激光重復(fù)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(jī)制提供了基礎(chǔ)，有利于開發(fā)以脈沖周期模式工作的光學(xué)開關(guān)等方面的應(yīng)用。
 

　　本工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、上海市科委項(xiàng)目支持。
 

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