近期，中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部王俊研究员团队，在周期飞秒激光脉冲诱导二氧化钒相变光开关动力学研究方面取得进展。相关成果以“Heat accumulation and phase transition induction in VO2 thin film by femtosecond pulse-periodic radiation”为题发表在Optics Letters上。
VO2薄膜因其在室温(340 K)附近的绝缘体-金属相变特性备受关注，由于复杂的物理机制和在电子学、光子学中的应用前景而被广泛研究。绝缘体-金属相变的过程已经在不同时间尺度上进行了研究，揭示了VO2薄膜的复杂亚微米结构，以及随着金属相逐渐出现的结构相变统计特征。在周期脉冲辐射条件下，金属相建立的过程在实际应用中非常重要，但目前仍然缺乏足够的研究。
研究团队在泵浦探测系统中利用电光开关，从第一个脉冲开始研究VO2薄膜中绝缘体-金属相变的过程。通过求解热方程，计算了在不同脉冲重复频率下，VO2薄膜在最初200 µs激光辐射期间的温度。在周期脉冲激光激发下，VO2薄膜吸收单脉冲能量后瞬时温度达到其半导体-金属相变阈值，由于金属相的恢复时间相对较慢，在最初几百微秒内多个脉冲连续激励下导致残留金属相的累积。同时，激光脉冲会引起样品产生温度增量，长时间高重频激光辐射可以使VO2达到相变温度并建立热平衡，主要机制为飞秒激光的热积累效应。当激光辐射关闭时，可以观察到相变恢复过程，该过程的持续时间与激光重复频率成正比，并且由薄膜中金属相的衰减决定。该研究为理解VO2薄膜的相变机制提供了基础，有利于开发以脉冲周期模式工作的光学开关等方面的应用。
本工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院、上海市科委项目支持。
图1 在不同脉冲重复频率的泵浦作用下，VO2薄膜的探测信号演变：(a)毫秒级；(b)亚毫秒级。(b)中较低的脉冲曲线是泵浦信号。
