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超强激光科学卓越创新简报

(第八百二十二期)

2026年9月15日

上海光机所在VO₂相变热光动力学研究取得重要进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所王俊研究员团队在VO₂中红外热光调控研究方面取得进展。研究团队围绕连续中红外激光驱动下VO₂/SiO₂异质结构的相变过程，系统揭示了从热积累、相变加速到热饱和的多阶段热光响应规律，并建立了连接入射功率、开关速度与响应稳定性的定量分析框架。相关研究成果以“Stage-resolved thermo-optical switching dynamics in VO₂/SiO₂ heterostructures under continuous mid-infrared excitation”为题，发表于 Photonics Research。

VO₂具有可逆的绝缘体–金属相变特性，在中红外光开关、光学限幅和自适应光子器件中具有重要应用潜力。然而，已有研究多集中于超快泵浦探测或稳态热调控，对于连续激光作用下热积累、相变演化与光学响应之间的动态关联仍缺乏系统认识。

图1. VO₂/SiO₂异质结构连续中红外激发下的热光响应过程。

研究团队采用3.8 μm连续中红外激光驱动VO₂/SiO₂异质结构，结合双波段透过率测量、传输矩阵分析和多物理场热模拟，对相变全过程进行了阶段化解析。结果表明，正向相变依次经历热扩散主导、潜热参与的快速相变以及热饱和阶段；随着入射功率增加，相变触发显著加快。同时，恢复过程中还表现出瞬态中间态、热记忆及由热耗散引起的滞后行为。进一步分析表明，VO₂/SiO₂体系中的热积累以及相变过程中VO₂吸收增强，是决定开关速度和稳定性的关键因素。

该研究构建了连续中红外激发下VO₂热光开关的完整动力学图景，为理解相变材料中的光–热–相变耦合机制提供了实验和理论依据，并为中红外光开关、光学限幅及自适应光子器件的设计提供了新的思路。

图2.不同激光功率下VO₂相变动力学及多阶段热光响应特性。

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