采用Z扫描和泵浦-探测技术研究了GaN薄膜在370 nm时的非线性光学效应和非线性光动力学过程。 首先, 基于GaN薄膜的透射光谱, 结合线性光学理论分析得到了其在370 nm的线性折射率n0、 线性吸收系数α0、 光学带隙Eg等线性光学性质。 采用飞秒激光Z扫描技术, 得到了不同光强激发下的Z扫描实验响应结果, 结合非线性光学理论提取出GaN薄膜可变的光学非线性吸收效应。 在激发光子能量接近GaN带隙情况下, 低光强时材料表现为饱和吸收而高光强时为反饱和吸收, 这是因为低光强下单光子吸收占主导而高光强下以单光子感应自由载流子吸收为主。 闭孔Z扫描测量得到了GaN薄膜的三阶非线性折射系数为n2=－(1.0±0.1)×10-3 cm2·GW-1, 它几乎比传统非线性介质的高出一个数量级。 为了探究上述非线性过程的动力学弛豫时间以及进一步探究GaN薄膜非线性光动力学过程的深层物理机制, 采用了交叉偏振飞秒退相泵浦探测技术观察GaN薄膜的光激发载流子动力学弛豫过程。 实验结果表明, 在低光强下, 饱和吸收效应来源于瞬态单光子吸收, 高光强下单光子感应自由载流子吸收为非瞬态光动力学过程, 其自由载流子弛豫时间约为17 ps。 该工作将为GaN薄膜在紫外非线性纳米器件应用以及GaN薄膜非线性过程的机制分析理解提供新的思路。