近日，中国科学院上海光学精密机械研究所、材料科学与光电技术学院和杭州高等研究院团队，在《Photonics Research》发表VO₂/SiO₂异质结构中红外热光开关研究成果。研究结合双波段透射测试、光谱反演、多物理场模拟与时域热反射测量，揭示了3.8 μm连续激发下VO₂从热积累、相变触发到冷却恢复的阶段性动力学。
研究难点
VO₂在绝缘体—金属转变过程中，光学和热学性质会发生显著变化，是中红外开关、可重构光子器件和自适应滤波器的重要候选材料。但对于150 nm VO₂薄膜/2 mm SiO₂衬底结构，开关速度不仅取决于光学吸收，还受到薄膜热导率、VO₂/SiO₂界面热导及衬底热积累的共同影响。
如果热模型完全采用文献参数，薄膜质量和界面状态带来的样品差异可能降低模拟可靠性。因此，准确获得实际样品的薄膜及界面热物性，是解释开关阈值和响应时间的关键。
Pioneer-ONE TDTR系统的关键作用
研究团队采用Autinst（昊远精测）Pioneer-ONE TDTR系统，对本研究使用的150 nm VO₂/SiO₂样品开展独立测量。测试前在表面沉积约100 nm Al换能层，利用调制泵浦光周期性加热，并以延时探测光记录瞬态热反射信号；结合多层传热模型，提取VO₂薄膜热导率和VO₂/SiO₂界面热导。
Pioneer-ONE TDTR系统测量得到的结果作为独立热物性参数输入多物理场模型，与光谱反演获得的折射率、消光系数及吸收参数共同使用。由此，模型不再只依赖文献经验值，而是建立在实际样品的热输运特性上，为定量解释光学开关过程提供基础。
主要发现
实验显示，VO₂/SiO₂样品在约328.5 K附近发生明显透射变化。随着激光功率密度升高，系统依次经历加热不足、扩散控制、潜热控制和热饱和阶段。研究得到3.13、15.98和76.15 W/cm²三个特征功率。
在12.29 W/cm²下，样品约18 s后达到相变温度，表现为延迟触发；在74.66 W/cm²下，温度和透射信号在约1 s内迅速变化。模拟表明，低功率时面内热扩散和衬底热积累主导响应，高功率时局部垂直传热与相变后的吸收增强加快开关过程。
研究还观察到关光后的短暂中间态、透射过冲和热记忆效应，说明器件设计不仅要关注开启速度，也要优化界面散热和恢复过程。
设备应用价值
在相变薄膜和多层光子器件中，热导率与界面热导直接决定温升、开关阈值、响应速度和循环稳定性。Pioneer-ONE TDTR系统能够对实际薄膜及界面进行非接触热物性表征，并将测量结果用于器件级多物理场模型，帮助研究从“观察开关现象”走向“定量解释和预测开关行为”。
