近日，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光元件技术与工程部赵元安团队与华南师范大学姚建可团队合作，在几何诱导量子干涉效应调控氧化镉（CdO）纳米光栅薄膜的中红外非线性光学性能方面取得重要进展。相关成果以"Mid-Infrared Nonlinear Optical Modulation of CdO Nanogratings Enabled by Geometric Quantum Interference Enhancement"为题发表于Optics Express。
氧化镉（CdO）等epsilon-近零（ENZ）材料在中红外波段具有显著的非线性光学响应，是国际前沿光子器件的研究热点。然而，该类材料普遍存在可调性不足、非线性响应强度有限的瓶颈。为突破这些限制，研究团队设计并制备了一种基于CdO的纳米光栅结构（CdO-NG）。在该结构中，几何诱导的量子干涉效应（GQIE）能够有效调控材料的费米能级（EF）和载流子浓度，进而实现对中红外非线性光学特性的主动控制。
实验表明，随着光栅刻蚀深度从10nm增加至30nm，CdO纳米光栅薄膜的载流子浓度从8.18×1020cm-3显著提升至43.76×1020cm-3，费米能级从2.074eV上移至3.831eV，实现了对大范围电子能带结构的几何可控调制。在2μm波长（ENZ区域）下，非线性吸收系数β随刻蚀深度和入射角增加而显著增大，并表现出明确的偏振各向异性。其中，在60° TM偏振光激发下，CdO-NG30样品的非线性吸收系数β达到-8.63cm/MW，较未结构化CdO薄膜（-5.74cm/MW）提升了约1.5倍。3μm波长（非ENZ区域）测试进一步证实，该各向异性源于光栅结构的本征几何特性。此外，载流子动力学测量显示，该结构具有优异的超快特性，瞬态响应时间低于220fs，调制带宽超过1.6THz。
该工作首次将几何诱导量子干涉效应引入ENZ材料的非线性调控中，实现了对费米能级和载流子浓度的大范围、结构可控调制。CdO纳米光栅薄膜不仅显著增强了中红外波段的非线性吸收，还展现了超快的时间响应和宽带调制能力，为下一代超快全光开关、高功率中红外光子器件及可调谐非线性光学平台提供了全新的设计思路。
相关研究工作得到了中国科学院特别交流计划、中国科学院国际合作局对外合作重点项目及上海市“探索者”等项目的支持。
图1. CdO-plain与CdO-NGs的制备流程及能带结构。(a) CdO-NGs的制备流程；(b) CdO-plain和CdO-NGs的能带结构示意图。
图2. CdO-plain和CdO-NGs的非线性光学表征。(a) 开孔Z扫描装置示意图。在2 μm波长下，CdO-NGs的非线性吸收系数β随不同入射角和刻蚀深度的变化：(b) TM偏振光；(c) TE偏振光。3 μm波长下对应的非线性吸收系数变化：(d) TM偏振光；(e) TE偏振光。
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