现代生物医学和技术应用中使用了多种激光器，但Nd:YAG激光器特别值得关注，因为它们在眼睛中的最大允许暴露量非常低（17 µW/cm²），这使其成为激光相关事故的主要来源。由于它们在医疗、激光笔、切割、焊接、标记和防御等领域的广泛应用，这种风险进一步增加，因此需要可靠的光学限制器[1]。这些设备通过固有的三阶非线性光学响应自动抑制高强度光。然而，由于非线性性能对特定激光参数高度敏感，识别具有足够强非线性行为和低限制阈值的材料仍然具有挑战性[2]。
非线性光学研究材料对高强度光的响应，其中其光学性质变得依赖于光强。与线性行为不同，强场会引起非线性极化，导致频率转换、自聚焦和通过折射率和吸收变化实现的光学限制等现象[3]。由于表面效应、强烈的局部电磁场和量子限制，纳米材料表现出独特的光学行为，从而比块体材料具有更好的非线性响应。特别是金属和半导体纳米颗粒，可以显著增强光与物质的相互作用。由于纳米技术的快速发展，许多纳米材料目前展示出的显著非线性光学特性支持了复杂光子学和光电设备的开发[4]。
具有金属纳米簇/金属核壳结构的贵金属纳米颗粒和玻璃表现出强的三阶非线性，但其性能受到等离子体效应和退火处理的强烈影响，这可能限制其稳定性和可调性[5],[6],[7]。在掺杂铁氧体和铁氧体核壳系统中，非线性响应通常由缺陷或热机制控制，且对非线性折射率（n₂）和光学限制阈值的全面报告往往缺乏[8],[9]。石墨烯-铁氧体纳米复合材料表现出增强的非线性吸收；然而，其光学限制行为通常依赖于激发方式，在纳秒激发下更为有效[10]。Jeevan等人报告称，尖晶石铁氧体（NiFe₂O₄、Ni₀.₅Zn₀.₅Fe₂O₄、ZnFe₂O₄、Ni₀.₅Co₀.₅Fe₂O₄和CoFe₂O₄）表现出明显的非线性吸收，所有组合物中都存在双光子过程和激发态吸收贡献，其中ZnFe₂O₄表现出最强的光学限制性能[11]。这些结果表明，尖晶石晶体框架本身支持由缺陷和尺寸介导的非线性光学过程，这在很大程度上独立于磁有序性。因此，非磁性尖晶石氧化物也预计会表现出类似的非线性吸收和光学限制行为，表明尖晶石氧化物是用于非线性光学和光学限制应用的有前景的材料。
锌镓酸盐（ZnGa₂O₄）是一种具有尖晶石结构的三元氧化物，属于Fd3̅m空间群，其晶体结构中Zn²⁺离子占据四面体（A）位点，而Ga³⁺离子位于AB₂O₄框架中的八面体（B）位点[12]。由于其宽带隙和高光学透明度，ZnGa₂O₄被认为是适用于透明氧化物基光电应用的理想候选材料[13]。它在紫外光激发下还表现出强烈的蓝光发射，这种发射源于自激活中心的跃迁，类似于其他宽带隙半导体[14]。ZnGa₂O₄在化学和热上都很稳定，其有利的电学和光学性能使其能够应用于荧光粉、太阳能盲紫外光电探测器、光刻对准、环境紫外监测、导弹威胁预警系统和光催化等领域[15],[16],[17],[18],[19],[20],[21],[22],[23]。
锌镓酸盐的光学限制行为仍很大程度上未被探索。据我们所知，此前仅有单一研究报告了锌镓酸盐的非线性光学特性，且该研究使用了连续波激光[24]。相比之下，本研究首次系统地使用脉冲和连续激光激发研究了ZnGa₂O₄，并报告了其光学限制行为。其带隙兼容性有利于高效的双光子吸收（2PA）途径、缺陷辅助的非线性吸收路径以及强大的热稳定性，这些因素可能促进了锌镓酸盐中的显著非线性光学行为[25]。
一个有效的光学限制器必须在低强度下清晰传输光，在低限制阈值下激活，响应迅速，覆盖宽光谱范围，并且损失最小。由于光学限制源于强非线性过程（如多光子吸收或非线性折射），只有具有足够大的非线性光学响应的材料才能有效作为光学限制器[20]。在这种情况下，选择了热稳定的尖晶石氧化物ZnGa₂O₄，以便与先前研究的铁氧体系统进行直接比较。其稳定的晶体结构、优异的化学耐久性以及容纳缺陷状态的能力使ZnGa₂O₄成为推进尖晶石家族非线性光学和光学限制研究的有希望的候选材料，特别是在目前实验数据有限的情况下[13]。
为了利用这些特性，必须精确控制ZnGa₂O₄的相纯度和形态。在各种合成方法中，水热处理特别适用于在相对较低温度下生产结晶纳米颗粒[26]。水热法利用温度梯度溶解原料并将其沉积在种子晶体上，从而实现可控的颗粒形态、相均匀性和减少的聚集[20],[27]。在本研究中，我们在不同的pH条件下通过水热法合成了ZnGa₂O₄尖晶石纳米颗粒。合成后，还进行了全面的电学、结构、形态学、线性和非线性光学表征。
