近日，我室研究生罗琪（第一作者）和陈飞飞研究员（通讯作者）等在期刊Optics Express(IF=3.8) 发表了题为“Superior nonlinear optical performance of CsPbBr3 all-inorganic metal halide perovskite nano-crystals embedded Ge2S3 chalcogenide glass”的研究论文(Opt. Express, 33(8), 17312-17324,2025, https://doi.org/10.1364/OE.558751)。

       非线性光学材料作为实现全光开关、激光防护和光信号处理的核心载体，在光通信、强激光系统及光电子器件等领域具有重要应用前景。全无机金属钙钛矿（CsPbBr3）因其卓越的非线性光学特性（如大双光子吸收截面）被视为极具潜力的新一代光子材料，但其固有的低光热稳定性及对水氧的敏感性（易潮解）严重限制了其实际应用。传统研究中，虽然将钙钛矿纳米晶嵌入氧化物玻璃能解决稳定性问题，但氧化物基质本身的非线性光学响应微弱，严重影响了复合材料的整体性能。而现有的硫系玻璃基质研究多集中于Ge-Sb-S体系，但在环境友好性及与钙钛矿的非线性折射率匹配度上仍有提升空间，制约了高性能光限幅器件的开发。

       针对上述挑战，本研究选用具有高三阶非线性系数且环境友好的Ge2S3二元硫系玻璃作为基质，通过熔融淬火结合精密热处理工艺，成功制备了CsPbBr3纳米晶嵌入的Ge2S3新型复合玻璃材料。

图1：CsPbBr3纳米晶嵌入Ge₂S₃硫系玻璃的制备流程示意图（熔融淬火+热处理）

       此外系统探究了热处理制度对纳米晶析出及其非线性光学性能的调控机制。研究表明：通过精确控制热处理温度（320-330°C）和时长，可诱导CsPbBr₃纳米晶在玻璃基质中受控生长（尺寸从2 nm增至24 nm），显著增强了材料的非线性光学响应。在800 nm激发下，优化后的复合材料表现出极高的非线性折射率（n2达8.60×10−17 m2/W）和双光子吸收系数（β2PA达2.71×10−10 m/W），较基质玻璃提升了约2.3倍。

图2：不同热处理条件下，复合材料的双光子吸收系数(β2PA)和非线性折射率(n2)随波长的变化趋势

       基于Z-扫描和I-扫描技术分析，揭示了“介电限域效应”与“局域场增强”是复合材料性能飞跃的关键机制，证实了高非线性基质与高非线性纳米晶的协同增强效应。更为关键的是，该材料在近红外波段实现了极低的光限幅阈值（OLT 低至 32.4 µJ/cm2），这一数值比现有的CsPbBr3/PMMA等材料低至少两个数量级，展示了卓越的激光防护性能。

图3：复合材料的光限幅阈值(OLT)测试结果

       本研究提出的以Ge2S3为基质的“全无机高非线性复合”的策略证明了全无机复合材料可达到甚至超越有机-无机杂化材料的非线性光学性能。该成果为设计高性能、宽波段的红外激光防护器件提供了坚实的理论依据与材料基础，在非线性光子器件领域具有重要的应用价值。