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VO₂金属相薄膜近红外非线性光学响应研究方面取得进展。相关研究成果以“Optical dispersion of a metallic VO₂ film in the near-IR range”为题发表于Optics Letters。
VO₂材料因其可逆的绝缘体–金属相变（IMT）特性，在光学限幅、全光调制与集成光子器件中备受关注。然而，既往研究多聚焦于其热光效应，未剖析金属相下的非线性光学行为。
为此，研究团队通过系统的温控Z-scan实验，结合Adomian分解法，建立了VO₂薄膜在300 K绝缘态与350 K金属态的非线性吸收饱和模型，实现了对饱和行为的精确拟合。并且，进一步揭示了VO₂薄膜相变前后非线性折射率色散的演化机制：随着温度升高，色散响应由束缚电子主导转向自由载流子主导，且在相变前后实现可重复的非线性折射率符号反转。本研究揭示了VO₂从绝缘态到金属态的非线性光学本征响应，量化了束缚电子与自由载流子对色散演化的贡献。成果为构建面向近红外波段的VO₂全光调制器与限幅器件提供了理论依据与实验基础。
相关工作得到了国家自然科学基金的支持。
图1. VO₂薄膜在（a,b）300 K和（c,d）350 K下的z扫描测试结果。其中，左列为开孔（OA）测试数据，右列为闭孔（CA）测试数据。不同温度下，（e）非线性吸收系数β和（f）非线性折射率n₂的功率依赖性。
