【供稿：电子科学与工程学院】日前，吉林大学电子科学与工程学院先进光子学材料与器件研究团队在金纳米薄膜非线性光学性质的电调控及其在宽调谐超快光纤激光器的应用方面取得重要进展，该研究成果以“Voltage-controlled nonlinear optical properties in gold nanofilms via electrothermal effect”为题在线发表于《自然·通讯》（NatureCommunications,2024,15: 6372）。

金纳米材料（如纳米薄膜、纳米粒子及超材料等）因其具有独特的表面等离激元共振特性，可以极大地增强材料的线性和非线性光学响应，使其在非线性光学、量子光学、纳米光学和生物医疗等领域展示出前所未有的可能性。通过对金纳米材料施加电压，利用电热效应或电场效应可以调节其中的电子-声子散射与自由电子浓度，实现对其光学性质的调控，有望构建电调控非线性光学器件，从而进一步拓展其应用领域。由于金材料中的自由电子浓度n_B过高，这使得对其光学性质的电压调控变得非常困难。在原理上，通过减小金纳米薄膜的厚度t，可以大幅降低其表面电子浓度n_S=n_Bt，并有望增强电子的散射作用，从而实现对其光学性质的电压调控。然而，目前超薄光滑连续的金纳米薄膜制备技术仍不成熟，且其非线性光学性质的电压调控研究尚属空白。

图1：金纳米薄膜非线性光学性质的电压调控

图2：锁模激光输出参数的电压调控

针对上述问题，吉林大学电子科学与工程学院先进光子学材料与器件研究团队进行了系统研究，通过引入铜晶种层制备出超薄光滑连续的金纳米薄膜，利用电热效应实现了对金纳米薄膜三阶非线性光学性质的电压调控。当施加电压在0~10 V范围内变化时，金纳米薄膜中电子-声子散射及光阻尼系数随之变化，导致其非线性折射率n₂从−10×10⁻¹²m²W⁻¹变化至−6.73×10⁻¹²m²W⁻¹，其非线性吸收系数β从−10×10⁻⁵m W⁻¹变化至−5.98×10⁻⁵m W⁻¹（图1）。在此基础上，进一步研制出基于金纳米薄膜的电调控全光纤可饱和吸收体，实现了锁模光纤激光的波长调谐和锁模状态的切换（图2）。该工作为主动控制非线性光学器件和超快光纤激光器件提供了一种新方法。

吉林大学为上述研究成果的唯一完成单位。论文的第一作者为电子科学与工程学院博士生吕昶见，共同通讯作者为孟凡超教授、贾志旭教授和秦冠仕教授。本工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目的支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50665-7