非线性光学材料可调制高强激光的频率和强度，广泛应用于强光防护、非线性光学成像、光开关和锁模/调Q产生脉冲激光等领域，在现代光学技术领域具有重要的科学价值和实际应用前景。创制高性能非线性光学吸收材料是当前光学材料领域的前沿热点之一，然而高性能非线性光学纳米异质结材料的合成制备条件苛刻、产率低，极大制约了纳米/微米级非线性光学材料及其器件的创制和应用。
化学科学与工程学院黄智鹏教授、欧洲科学院院士张弛教授研究团队发展了一种“后合成”调制策略，通过电化学调控实现多种材料非线性吸收性能的显著提升和动态调控。在系列研究中，该研究团队通过电化学处理动态、连续地改变材料能级结构、便捷地转换各种光学状态，高效实现材料性能调控和最佳性能的探索。
该研究团队通过施加电压调控氧化钨(WO_3-x)薄膜中W的价态，可诱导薄膜体现饱和吸收和反饱和吸收等截然不同的非线性光学响应特征。在1030nm激光激发下，薄膜非线性吸收系数可达?632cm GW^-1(?2.5 V电压)，是未处理样品非线性吸收系数(18cm GW^-1)的35倍。同时在800nm和515nm激光激发下，氧化钨薄膜也体现出电压相关的非线性吸收行为。薄膜非线性吸收性能的调控源于与W相关的带间缺陷态位置和数量变化。相关成果“Switching the Nonparametric Optical Nonlinearity of Tungsten Oxide by Electrical Modulation”日前发表于光学材料领域重要期刊《先进光学材料》(Advanced Optical Materials, 2021, 9, 2002188)。


此外，在1030nm激光激发下，掺锑氧化锡(ATO)薄膜的五阶非线性吸收系数可由外压控制在0.51~3.46cm³GW^-2之间连续调控。五阶非线性吸收行为源于纳米颗粒内部双光子吸收-激发态吸收的连续非线性吸收过程。外加电压可通过静电作用调制ATO纳米颗粒的能带弯曲程度和非耗尽层尺寸，从而使纳米颗粒在不同电压下体现不同的光学活性区域体积以及非线性吸收性能。相关成果以“Electrical Tuning of the Fifth-Order Optical Nonlinearity of Antimony-Doped Tin Oxide”为题发表于《先进光学材料》(Advanced Optical Materials, 2021, 9, 2001357)。


该研究团队还构筑系列金属有机框架材料(M₃HHTP_2；M=Co, Ni, Cu;HHTP=2,3,6,7,10,11-hexahydroxytriphenylene)作为非线性吸收材料，通过过渡金属d轨道电子数量调控非线性吸收特征和性能。在532nm激光激发下，随着过渡金属3d轨道电子数量的增加，材料非线性吸收由三光子吸收逐渐转化到双光子吸收。相关成果“Superb Nonlinear Absorption of Triphenylene-Based Metal–Organic Frameworks Associated with Abundant Metal d Electrons”日前发表于《先进光学材料》(Advanced Optical Materials, 2021, 9, 2100622)。


该研究团队系列工作得到了国家自然科学基金重点项目、面上项目、教育部创新团队、科技部重点领域创新团队和上海市教委科创计划重点项目等支持，黄智鹏教授和张弛教授为系列论文的共同通讯作者，博士生侯瑞鹏、刁梦娟、孙艳辉、梁莹和博士后李卉等分别为相关研究论文的第一作者。