激光波长依赖性CdTe/CdS核壳量子点非线性光学特性研究及其光子器件应用潜力

本研究针对量子点材料在非线性光学(NLO)领域的波长响应机制问题，通过光化学法合成CdTe、CdS及CdTe/CdS核壳量子点(QDs)，采用Z-scan技术系统评估了532 nm/632.8 nm/1064 nm激光下非线性吸收(NLA)与非线性折射(NLR)系数。发现CdTe/CdS核壳结构具有波长依赖的SPA/TPA/RSA转换特性及自聚焦/散焦效应，为高耐受性光学限幅器与光子器件设计提供理论依据。

　　

在光子技术迅猛发展的今天，量子点材料因其独特的量子限域效应成为光学器件研发的明星材料。然而，现有研究多聚焦于线性光学特性，对波长依赖的非线性光学行为缺乏系统认知，这严重制约了其在全光谱光学调制器、激光防护等高端器件中的应用。更关键的是，传统有机非线性材料在高能量激光下的稳定性不足，亟需开发兼具强非线性响应与高耐受性的无机纳米材料。

为解决这一难题，研究人员开展了一项突破性研究。他们通过光化学法成功制备了CdTe、CdS及CdTe/CdS核壳量子点，利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和光致发光(PL)光谱证实了材料具有2.15-2.37 eV可调带隙及3-8 nm均匀尺寸分布。通过创新性地采用多波长Z-scan技术，首次揭示了这些量子点在连续波/脉冲激光下的非线性光学规律：在532 nm激光下呈现单光子吸收(SPA)主导的非线性吸收（β高达53.48 cm/GW），632.8 nm激发双光子吸收(TPA)，而1064 nm红外激光则触发反饱和吸收(RSA)。尤为重要的是，CdTe/CdS核壳结构展现出73.67 cm²
/GW的超高非线性折射率，且自聚焦/散焦效应可通过波长精确调控。这项发表于《Optik》的研究为下一代智能光学限幅器和全光开关提供了材料设计范式。

关键技术方法包括：光化学合成法构建核壳结构，XRD/SEM表征晶体形貌，UV-Vis/PL光谱分析能带结构，以及多波长Z-scan系统（532 nm CW激光、632.8 nm He-Ne激光、1064 nm Nd:YAG脉冲激光及其二次谐波）定量测量NLA/NLR系数。

研究结果

1. 结构表征：XRD证实所有量子点均呈立方晶相，SEM显示CdTe/CdS核壳结构具有最均匀的尺寸分布（8 nm），UV-Vis光谱中CdTe/CdS的吸收边红移验证了核壳界面耦合效应。
2. 非线性吸收特性：532 nm激光下CdTe的β值（53.48 cm/GW）是CdS的1.9倍，而核壳结构在1064 nm处表现出最强的RSA效应，归因于壳层引起的中间态密度增加。
3. 非线性折射行为：CdS在632.8 nm呈现显著自散焦（n₂
   =-14.206 cm²
   /GW），而CdTe/CdS在532 nm显示自聚焦（9.21 cm²
   /GW），这种符号反转源于核壳界面的电荷转移差异。
4. 光学限幅性能：核壳结构对1064 nm激光的限幅阈值比单体材料降低40%，证实其多光子吸收协同增强效应。

结论与意义
该研究首次建立了CdTe/CdS量子点非线性光学响应与激光波长的定量关系模型，揭示了核壳结构通过界面工程调控SPA-TPA-RSA转换的物理机制。其发现具有三重意义：① 为开发波长选择型光学限幅器提供材料基础，解决传统防护器件宽带响应不精准的痛点；② 核壳结构的高非线性系数（较有机材料提升2个数量级）推动超紧凑全光器件发展；③ 提出的"波长-尺寸-壳层"三维调控策略可拓展至其他II-VI族量子点体系。Farahmandzadeh Farzad等的工作标志着量子点非线性光学研究从定性认知迈向定量调控的新阶段，对国防激光防护、光通信调制等领域具有重要应用价值。