非线性光学研究领域的长期目标之一是开发具有显著且快速的光学非线性响应材料。介电常数近零（Epsilon Near Zero,ENZ）的材料由于可以在其ENZ波长范围内表现出极大的光学非线性响应而受到广泛关注。其中,得益于其ENZ特性,透明导电氧化物（Transparent Conductive Oxides,TCO）,例如:掺锡氧化铟（Indium Tin Oxide,ITO）和掺铝氧化锌（Al-doped Zinc Oxide,AZO）等,除了在近红外波段拥有较高的光学非线性响应系数外,还展现出百飞秒量级的超短光学非线性响应时间。TCO材料也因此被认为是最有希望应用于新型光子学器件开发的材料之一。然而,目前对TCO在近红外波段超快动力学过程中的内部机制尚未完全理解。针对此问题,本文运用超快时间分辨光透射技术,对飞秒激光脉冲激发下TCO材料的电子升温、弛豫等过程进行实验观测,通过建立理论模型对这些过程进行定性和定量分析,深入揭示了此类材料的超快响应机制及其关键影响因素,为超快光子学器件性能的进一步优化设计提供指导。本文的主要研究内容及成果如下:第一部分:理论模型的建立。基于光致非热载流子的能量分布,对传统的双温度模型进行了改进,弥补了其在描述初始非热载流子动力学方面的不足。改进后的双温度模型可以更加精准地对由超短激光脉冲引起的瞬态电子激发过程和随后的由电子-电子、电子-声子散射主导的弛豫过程进行综合解读,为TCO材料的超快透射率变化进行定性及定量分析提供理论支持（第二章）。第二部分:实验条件的优化和关键物理参量的确定。选取商用ITO薄膜,在其ENZ波段（1200 nm）探究泵浦能量密度对超快透射率变化的影响,获得以下实验及理论结果:在泵浦能量密度小于20 m J/cm~2范围内,ITO薄膜最大透射率变化量与泵浦光能量密度的正比关系和电子温度最大变化量与泵浦光能量密度的正比关系相吻合,因此在此能量密度范围内ITO的光学响应可由材料内部电子温度的弛豫模型来描述;为保证使用双温度模型模拟超快透射率光谱的准确性,在后续ITO薄膜的超快时间分辨光透射实验中,把泵浦能量密度限制在＜20 m J/cm~2的范围,探测波长选取在ENZ波段附近（第三章）。第三部分:不同（类）自由电子体系的超快响应的比较。与金等贵金属相比,TCO能在其ENZ波长范围（近红外波段）内具有更大的光学非线性折射率变化和更快的光学非线性响应速率,而导致这两类材料体系中不同光学响应时间的原因尚不清楚。针对此问题,使用超快时间分辨透射率光谱技术分别在ITO和金的ENZ波长范围（即近红外波段和可见光波段）对两类薄膜材料的光学非线性响应时间进行了观测。通过比较两种体系的恢复时间（归一化超快透射率变化量从0.9弛豫至0.1经历的时间）,得到ITO薄膜的恢复时间比金薄膜的快约20倍;运用第二章建立的双温度模型对相同吸收能量密度的飞秒光激发下ITO、AZO以及金、银薄膜的响应过程进行模拟,对ITO、AZO两种TCO薄膜超快光学响应机制进行探究并对其普适性进行分析讨论,发现得益于其独特的热物理性质,TCO材料体系的电子-声子散射速度普遍比金属的大两个数量级,我们认为这是决定TCO材料体系具有百飞秒超快光学响应的根本原因（第四章）。