铜掺杂氧化锌薄膜的序贯双光子吸收效应及其光功率钳制应用研究

研究人员通过溶胶-凝胶旋涂法制备铜掺杂ZnO薄膜，结合FDTD（时域有限差分法）模拟和Z扫描技术，揭示了10%铜掺杂样品中电场分布的波导特性及序贯双光子吸收（2PA）效应。该研究为开发基于非线性光学材料的光功率限幅器提供了新思路，相关成果发表于《Optical Materials》。

　　

研究背景与意义
在现代光学器件中，被动光限幅器对激光强度的智能调控至关重要。传统光学传感器因结构复杂逐渐被非线性光学材料取代，其中具有瞬时响应的双光子吸收（Two-Photon Absorption, 2PA）和累积响应的激发态吸收（Excited-State Absorption, ESA）材料备受关注。然而，如何通过材料设计实现高效光功率钳制仍是挑战。氧化锌（ZnO）因其宽禁带和优异非线性特性成为候选材料，但纯ZnO的2PA系数较低。铜（Cu）掺杂可引入缺陷态调控能带结构，但其对序贯2PA的影响机制尚不明确。

研究机构与方法
国内研究人员采用溶胶-凝胶旋涂法（Sol-Gel Spin Coating）制备了铜掺杂浓度分别为1%、5%和10%的ZnO薄膜，通过原子力显微镜（AFM）获取表面形貌并用于FDTD（Finite-Difference Time-Domain）模拟。利用纳秒激光源的Z扫描技术（强度范围2.47-3.71 GW/cm²）提取非线性光学参数，结合X射线衍射（XRD）和光致发光谱（PL）分析材料结构特性。

研究结果
1. 材料表征
XRD显示铜成功掺入ZnO晶格（JCPDS 96-900-4182标准），无杂质相。随着铜浓度增加，（100）、（002）和（101）晶面衍射峰增强，表明结晶度提升。

2. 非线性光学响应
Z扫描揭示三阶非线性吸收系数β随铜浓度单调递增。高掺杂（10%）样品在强光下表现出序贯2PA特征，归因于禁带中铜诱导的缺陷态（如氧空位）对光子的耦合作用。

3. 波导行为与限幅潜力
FDTD模拟显示10%铜掺杂薄膜的电场分布呈波导模式，证实其可调控光传播路径。光功率限幅分析表明该材料能有效钳制3.71 GW/cm²的入射光强。

结论与讨论
铜掺杂ZnO薄膜通过缺陷态工程实现了序贯2PA效应增强，其波导特性为集成化光限幅器件设计提供了可能。该研究不仅阐明了铜浓度与非线性响应的构效关系，还为开发低成本、高性能光学防护材料开辟了新途径。作者团队（Amegha Sahni等）特别指出，未来需进一步优化掺杂均匀性以提升器件稳定性。