近零介电常数材料中的非线性光学效应研究进展

宁廷银 李 鑫

(山东师范大学物理与电子科学学院，250358，济南)

1 引 言

非线性光学现象在光通讯、全光数据处理与存储[1,2]、光谱学以及量子信息技术[3,4]等方面具有非常广泛的应用[5].但通常绝大多数材料只有非常弱的非线性光学响应，一般需要很长的作用距离来实现所需的光学非线性效应，从而严重制约了器件的小型化和集成化[6].因此，在非线性光学领域一个长期以来的研究目标就是发展具有巨大光学非线性响应的材料，其光学性质能够被低功率光场显著改变.另外，优良的非线性光学材料还需要有亚皮秒的响应时间，以及与现代金属-氧化物-半导体(CMOS)制备工艺相兼容以实现纳米级尺度的集成[7].

最近研究发现，近零介电常数(Epsilon Near Zero,ENZ)材料具有非常高效的非线性光学现象[8-13]，展现出丰富的令人兴奋的性质[14-19]，与之密切相关的近零折射率(Near-Zero-index, NZI)超材料[20-23]，都引起了研究者非常大的兴趣.ENZ以及NZI相关课题的研究可以追溯到十年前的一系列理论工作，预言了此类材料中电场的巨大增强以及高效谐波产生[24-29].目前对此类材料的研究兴趣重新被激发是基于实验发现，一些重掺杂半导体，如氧化铟锡(ITO), 铝氧化锌(AZO)等，在ENZ波长处具有巨大增强的非线性响应.[9-12]比如，相关工作报道此类材料的非线性折射率比传统认为具有很大非线性系数的硒化砷玻璃还有大几个量级[30-32]，并且具有亚皮秒的超快响应.另外，最大折射率的改变也有显著增大，比如在ITO中，最大光致折射……