2018年，祝世寧團(tuán)隊(duì)采用飛秒激光直寫方法制備了一種三維 LN NPC結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化激光參數(shù)有選擇性地擦除LN晶體的非線性系數(shù) 。其物理機(jī)制可以理解為：通過激光照射降低結(jié)晶度，這已在加工區(qū)域內(nèi)所測量的透射電子顯微鏡(TEM)衍射圖和微拉曼信號(hào)中得到了證實(shí)。

　　非線性相互作用波在周期性極化的LN晶體中即可以通過反向鐵電疇進(jìn)行相位調(diào)制，也可以在激光加工的LN晶體中進(jìn)行空間幅度調(diào)制。在理想情況下，加工區(qū)域中會(huì)形成非晶結(jié)構(gòu)，這可以將非線性系數(shù)減小為零。當(dāng)非線性系數(shù)被周期性地擦除時(shí)，二次諧波場在第一個(gè)相干長度Lc中增加，在第二個(gè)相干長度Lc中保持不變，然后重復(fù)這種能量增加的模式。如圖[1(a)]中的藍(lán)線所示。

　　盡管激光直寫LN晶體的理論轉(zhuǎn)換效率是理想的電極化非線性晶體的理論轉(zhuǎn)換效率的四分之一，但與相位失配的情況相比，仍有顯著提高[圖1(a)]。與激光極化方法相比，此激光工程的要求更容易滿足，尤其是沿深度方向的工程要求。

　　更重要的是，該技術(shù)可用于在包括LN晶體在內(nèi)的大多數(shù)非線性材料中制造任意三維NPC結(jié)構(gòu)[圖1(b)]。

　　圖1 (a)全相位匹配、基于極化LN晶體的QPM、基于激光直寫LN晶體的QPM與相位失配的比較;(b)飛秒激光直寫實(shí)現(xiàn)的三維非線性光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖

　　波導(dǎo)集成三維準(zhǔn)相位匹配結(jié)構(gòu)

　　2020年，德國Denz課題組也采用激光擦除的方法在LN波導(dǎo)中制備了3D非線性結(jié)構(gòu)，如圖2所示。研究者將波導(dǎo)纖芯設(shè)計(jì)成兩部分[圖2(c)]或四部分[圖2(d)]，進(jìn)行并行的多波長頻率轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊設(shè)計(jì)。與非線性光子晶體相比，將3D QPM結(jié)構(gòu)集成到波導(dǎo)中可提高轉(zhuǎn)換效率。

　　圖2 (a)QPM波導(dǎo)設(shè)計(jì)原理圖;用于調(diào)制QPM波導(dǎo)芯內(nèi)部 非線性的方案：(b)一個(gè)周期(A)，(c)兩個(gè)周期(A，B)和(d)四個(gè)周期(A，B，C，D)

　　鐵電鈦酸鋇鈣三維非線性光子晶體研究

　　2018年，徐天翔等人使用自發(fā)疇結(jié)構(gòu)調(diào)制的BCT晶體實(shí)現(xiàn)了3D QPM過程，之后通過飛秒激光直寫技術(shù)在BCT晶體中直寫三維疇結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了3D QPM過程。

　　天然生長的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電晶體BCT晶體內(nèi)部存在著沿三個(gè)方向分布的180°鐵電疇，可為QPM過程提供三維倒格矢。通過化學(xué)腐蝕的方法對(duì)晶體表面進(jìn)行腐蝕(不同取向的鐵電疇腐蝕速率不同)，利用晶體表面的凹凸分布情況表征晶體的疇結(jié)構(gòu)，可以直觀地觀察到晶體的疇結(jié)構(gòu)分布，進(jìn)而可對(duì)晶體的3D QPM過程進(jìn)行預(yù)測。

　　圖3 自發(fā)疇結(jié)構(gòu)調(diào)制的BCT晶體樣品表征。(a)c切向的BCT晶體腐蝕后的疇結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡(SEM)照片;(b)a切向的BCT晶體腐蝕后的疇結(jié)構(gòu)SEM照片;(c)BCT晶體中隨機(jī)疇寬度的統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果;(d)BCT晶體中隨機(jī)三維堆垛疇的結(jié)構(gòu)示意圖

　　具有自發(fā)疇結(jié)構(gòu)的BCT晶體雖然可以實(shí)現(xiàn)3D QPM過程，但是疇結(jié)構(gòu)具有隨機(jī)性，倍頻轉(zhuǎn)化效率低，且無法實(shí)現(xiàn)高階倒格矢參與的QPM過程，因而需要制備可以調(diào)控的三維鐵電疇結(jié)構(gòu)。

　　前面提到，目前可以使用飛秒激光直寫技術(shù)直接在BCT晶體中加工三維鐵電疇結(jié)構(gòu)，從而得到了疇結(jié)構(gòu)可控的3D NPC。

　　圖4 (a)飛秒激光脈沖在BCT晶體中制造的3D鐵電疇圖案的切倫科夫二次諧波顯微照片;(b) 的三維疇結(jié)構(gòu)調(diào)制的共線倍頻光功率隨基頻光功率的關(guān)系圖(空心點(diǎn)為實(shí)測值，實(shí)線為二次擬合曲線)。插圖：倍頻光功率隨波長的響應(yīng)規(guī)律(紅色實(shí)心點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)值，黑色曲線為理論計(jì)算值)

　　以共線相互作用為例，研究者對(duì)飛秒激光直寫三維疇結(jié)構(gòu)獲得的NPC中倍頻光的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了研究。在疇結(jié)構(gòu)厚度為128 μm和縱向周期為256 μm的晶體中進(jìn)行表征，結(jié)果表明，當(dāng)基頻光的峰值功率為35 kW，倍頻光波長為670 nm時(shí)，獲得的倍頻光的峰值功率為2.3 W[圖4(b)]。

　　對(duì)共線準(zhǔn)相位匹配中倍頻光的功率隨波長的變化規(guī)律進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果相吻合[圖4(b)插圖]。

　　圖5 BCT晶體疇結(jié)構(gòu)的可擦除特性。(a)BCT在居里溫度以下退火后的切倫科夫二次諧波顯微圖像;(b)BCT在居里溫度以上退火后的切倫科夫二次諧波顯微圖像

　　此外，研究人員還進(jìn)行了BCT晶體3D鐵電疇結(jié)構(gòu)的可擦除特性研究，將激光加工后的具有疇結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行退火處理，當(dāng)退火溫度達(dá)到居里溫度120 ℃并緩慢降低至室溫時(shí)，疇結(jié)構(gòu)會(huì)被擦除[圖5(b)]。

　　自然生長的鉭鈮酸鉀鈣鈦礦鐵電體中的三維非線性光子晶體研究

　　天然形成的KTN晶體顯示出豐富的倒格矢，如圖6所示，打破了傳統(tǒng)極化非線性光子晶體對(duì)入射光偏振方向和晶體方向的嚴(yán)格要求，被廣泛用于需要產(chǎn)生和控制新頻率光的領(lǐng)域。并且KTN晶體很容易與激光寫入技術(shù)兼容，這意味著有可能創(chuàng)建分層非線性光學(xué)調(diào)制。因此，這種鈣鈦礦鐵電體中的三維非線性光子晶體在光通信、非線性成像和片上信號(hào)處理中具有廣泛的應(yīng)用。

　　圖6 樣品表征。(a)偏光顯微鏡下KTN晶體a-b面鐵電疇結(jié)構(gòu)圖像;(b)KTN晶體180°隨機(jī)疇的周期長度統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果

　　結(jié)論與展望

　　準(zhǔn)相位匹配技術(shù)利用二階非線性系數(shù)的周期調(diào)制結(jié)構(gòu)，將倒格矢引入頻域內(nèi)參與相位匹配過程，以彌補(bǔ)非線性光學(xué)過程中的相位失配，從而實(shí)現(xiàn)能量在相互作用光波間的高效轉(zhuǎn)換，具有靈活多變的技術(shù)特點(diǎn)，己被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。

　　近年來，研究者不僅發(fā)現(xiàn)了具有自發(fā)三維疇結(jié)構(gòu)的晶體，還利用激光加工技術(shù)人工獲得了三維非線性光子晶體，并利用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)提升了轉(zhuǎn)換效率。

　　但是目前倍頻激光輸出的光束質(zhì)量尚無長足進(jìn)步，現(xiàn)階段研究都是局限于激光的轉(zhuǎn)換效率方面，下一步需要在提高轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)使用恰當(dāng)?shù)姆绞教岣咻敵龉馐墓獍哔|(zhì)量，以獲得更廣泛的應(yīng)用。

　　相信在各位研究者不斷的努力下，三維準(zhǔn)相位匹配應(yīng)用的范圍會(huì)越來越廣，并出現(xiàn)更加豐富多彩的物理現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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