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超快光譜Z掃描技術(shù)是一種結(jié)合超快激光脈沖和非線性光學(xué)效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法，常用于表征材料的光學(xué)非線性特性及其動(dòng)態(tài)過程。

導(dǎo)語

在高速光通信時(shí)代，如何實(shí)現(xiàn)高效的光信號(hào)控制？中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在《Optics Express》發(fā)表的研究給出了新答案——金三角納米棱柱結(jié)合Z掃描技術(shù)，在紅外波段展現(xiàn)出卓*的非線性光學(xué)特性，為下一代全光開關(guān)器件鋪平道路。

研究亮點(diǎn)

1. 等離子體共振“熱點(diǎn)"

金三角納米棱柱在1240 nm波長(zhǎng)處產(chǎn)生強(qiáng)偶極等離子體共振，尖*電場(chǎng)增強(qiáng)超55倍，局部態(tài)密度（LDOS）提升千倍，為非線性效應(yīng)提供“能量引擎"。

2. Z掃描技術(shù)大顯身手

通過Z掃描裝置精準(zhǔn)測(cè)量非線性吸收系數(shù)（β）和折射率（n?），首*揭示該材料在1200-1300 nm波段滿足全光開關(guān)核心指標(biāo)（W>1，T<1）。

3. 性能碾壓傳統(tǒng)材料

共振波長(zhǎng)下三階非線性極化率（χ3）達(dá)1.25×10?11 esu，比800 nm處高20倍，刷新紅外非線性材料性能紀(jì)錄。

Z掃描裝置：揭秘非線性光學(xué)的“顯微鏡"

工作原理

• 激光聚焦后，樣品沿光軸（Z方向）移動(dòng)，通過開孔（測(cè)吸收）和閉孔（測(cè)折射）探測(cè)器記錄透射光強(qiáng)變化，直接提取β和n?（圖4a）。

• 實(shí)驗(yàn)采用飛秒激光器（脈寬200 fs，重復(fù)頻率76 MHz），確保高時(shí)間分辨率，避免熱效應(yīng)干擾。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)

• 單光束高效測(cè)量：可同步獲取非線性吸收與折射數(shù)據(jù)。

• 超靈敏探測(cè)：在0.43 GW/cm2低光強(qiáng)下，仍能精確捕捉微弱非線性響應(yīng)，驗(yàn)證材料低功耗潛力。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：紅外光通信的“黃金波段"

關(guān)鍵數(shù)據(jù)

• 非線性折射率n?：在1240 nm處達(dá)1.87×10?? cm2/GW，波長(zhǎng)依賴性顯著（圖4d）。

• 全光開關(guān)指標(biāo)：1200-1300 nm范圍內(nèi)，W值輕松突破1，T值穩(wěn)定低于1（圖4e），完*適配1300 nm通信窗口。

為什么是金三角？

• 尖銳棱角結(jié)構(gòu)極大增強(qiáng)局域電場(chǎng)，激發(fā)強(qiáng)等離子體共振，而傳統(tǒng)球形納米顆粒（圖2c）幾乎無此效應(yīng)。

應(yīng)用前景：從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)

光學(xué)開關(guān)：低功耗、高速響應(yīng)的全光開關(guān)器件，有望取代傳統(tǒng)電控元件，提升光通信網(wǎng)絡(luò)效率。
紅外光子芯片：與硅基波導(dǎo)集成，開發(fā)緊湊型非線性光子器件，拓展光計(jì)算與傳感應(yīng)用。
能量管理：強(qiáng)非線性吸收特性可用于光限幅器，保護(hù)精密光學(xué)系統(tǒng)免受強(qiáng)光損傷。

總結(jié)與展望

金三角納米棱柱憑借獨(dú)*的等離子體增強(qiáng)效應(yīng)，結(jié)合Z掃描技術(shù)的精準(zhǔn)表征，為紅外光通信提供了革命性材料方案。未來，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃優(yōu)化納米結(jié)構(gòu)均勻性，并探索與其他光子元件的集成，加速全光控器件的實(shí)用化進(jìn)程。

論文信息：Ziyu Chen et al., Opt. Express (2013)

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