《自然光子学》报道我校飞秒激光加工三维非线性光子晶体研究进展

时间:2018-09-27浏览:83

  中国科学技术大学精密仪器系微纳米工程实验室与南京大学固体微结构国家重点实验室合作,利用飞秒激光电畴擦除技术首次成功制备出三维非线性光子晶体,并实现了三维准相位匹配的▓激光倍频。相关成果近期以“Experimental demonstration of a three-dimensional lithium niobate nonlinear photonic crystal”为题,820号在线发表在国际权威光学期刊Nature Photonics [doi: https://doi.org/10.1038/s41566-018-0240-2] 上。

光子晶体是□□近些年发展起来的▓一个新兴邻域,制备并研究非线性极化率周期变化的▓非线性光子晶体成为目前研究的▓热点,用非线性光子晶体拓展光学领域、制作光学器件是□□非线性光子晶体研究的▓重要方向。在早期的▓研究中,南京大学研究组采用晶体生长条纹技术以及室温极化技术成功研制出了一维、二维非线性光子晶体,并展示了其在非线性光束整形、光量子信息处理等方面许多新的▓应用。在此基础上研究人员也期待着能研制出三维非线性光子晶体,从中揭示更多的▓新奇效应。然而,传统制备技术,包括晶体生长技术、室温电场极化技术等都难以在晶体内部实现三维电畴结构的▓排列。制备三维非线性光子晶体成为近二十年非线性光学领域令人困惑的▓难题之一,飞秒激光的▓出现解决了这一难题。得益于极短的▓脉宽,飞秒激光很容易产生极高的▓峰值功率,从而使光与物质发生多光子吸取或隧穿电离等非线性作用,使其可以深入透明介质内部,以超越光学衍射极限的▓精度对材料进行三维微加工。

中科大与南京大学的▓研究团队合作发展出一种全新的▓电畴控制技术:利用聚焦飞秒激光在铌酸锂晶体内部实现铁电畴(二阶非线性光学系数)的▓定点擦除,实现了二阶非线性光学系数在三维空间的▓调制。在制备结构的▓过程中,大家提出了不同层能量补偿加工技术,保证了三维结构的▓整体均一性。经过两年多时间的▓摸索,在铌酸锂晶体中成功制备出了四方结构的▓三维非线性光子晶体,光子晶体的▓三维周期结构参数为3 μm (x) * 3 μm (y) * 11 μm (z)。南大研究团队在后续实验上成功观察到了预期的▓三维准相位匹配倍频效应,100 μm光程的▓共线倍频转换效率达到了10^-4, 该值与理论估算相一致。三维非线性光子晶体研制成功为研究三维空间的▓非线性光学和量子光学研究提供了一种新材料, 也为三维微纳光子器件的▓发展提供了支撑。实际上三维非线性光子晶体中调制的▓不仅有二阶非线性光学系数,由于铁电晶体中压电系数、电光系数、热电系数等所有奇数阶物性张量都是□□随电畴调制的▓,也形成了三维空间分布,可以预见,更多的▓新的▓光、声及其耦合效应将会从这种新材料中被陆续揭示出来。

1. (a)三维非线性光子晶体;(b) 三维准相位匹配倍频

科大16级博士生汪超炜为共同第一编辑,精密仪器系吴东教授、南大张勇教授肖敏教授祝世宁院士为共同通讯编辑。该项研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院仪器专项、固体微结构物理国家重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心的▓支撑。


论文链接:https://www.nature.com/articles/s41566-018-0240-2


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