飛秒激光制備三維鈮酸鋰非線性光子晶體
非線性光子晶體（NPC, nonlinear photonic crystal）擁有依賴于空間分布的二階非 線性系數(shù)，我們可以利用準(zhǔn)相位匹配來有效控制非線性光學(xué)作用。而鈮酸鋰 （LiNbO3）晶體是最常見的非線性光子晶體，擁有完美的非線性光學(xué)特性，一維和二 維LiNbO3 NPCs已經(jīng)被廣泛用于頻率轉(zhuǎn)換，空間光調(diào)制和非線性光學(xué)成像等，但由于 受到傳統(tǒng)極化方法的限制，3維LiNbO3 NPCs的制備仍具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。
Dunzhao Wei和Chaowei Wang等人利用飛秒激光成功制備出3維 LiNbO3 NPC，這 為未來的非線性光學(xué)研究提供了一個(gè)潛力巨大的平臺(tái)，尤其是在三維結(jié)構(gòu)中控制非線性 相互作用波方面意義非凡。
啥叫非線性光子晶體，或者說所涉及到的非線性光學(xué)是什么？
Wiki上的解釋是：“Nonlinear optics (NLO) is the branch of optics that describes the behavior of light in nonlinear media, that is, media in which the dielectric polarization P responds nonlinearly to the electric field E of the light.”
（這句話翻譯過來就是：在非線性介質(zhì)中描述光的行為的光學(xué)分支，即電介質(zhì)極化P對 光的電場E的響應(yīng)是非線性的）[2]。很難明白是不是！??！我們舉幾個(gè)例子來解釋一下 非線性過程。
首先是二次諧波的產(chǎn)生（Second-harmonic generation ，SHG）或者說倍頻，這個(gè) 很好理解，畢竟1064nm激光倍頻到532nm激光還是經(jīng)常看見的。 我們最常接觸到的Coherent或者Spectra-Physics的鈦寶石飛秒激光器中鈦寶石的泵浦 源就是1064nm激光器發(fā)出的激光經(jīng)過倍頻后得到的532nm綠光，這個(gè)過程現(xiàn)在看來肯 定是一個(gè)非線性過程了（倍頻了）。
其本質(zhì)也很好理解，就是兩個(gè)光子被破壞產(chǎn)生了一個(gè)頻率加倍的光子。相對應(yīng)的三 次諧波和高次諧波的基本原理也類似，相似的還有和頻、差頻以及光參量放大（OPA） 等過程。
另一個(gè)例子就是大名鼎鼎的克爾透鏡鎖模了，由于空間光強(qiáng)分布的變化引起的光學(xué) 克爾效應(yīng)（高階非線性效應(yīng)）引起空間折射率的變化從而導(dǎo)致自聚焦效應(yīng)進(jìn)而完成鎖模 是現(xiàn)在很多超快激光器的鎖模機(jī)制。
還有一個(gè)例子就是普克爾效應(yīng)（即電光調(diào)制器的原理），折射率被靜態(tài)電場所影 響，這也是一個(gè)典型的非線性光學(xué)效應(yīng)[3]。
可以說非線性光學(xué)效應(yīng)和功率密度極大的（飛秒）激光息息相關(guān)，我們常用的飛秒 激光器中可能無時(shí)不刻都在進(jìn)行著非線性光學(xué)過程。而在非線性光學(xué)晶體中進(jìn)行的非線 性波混合過程中，相位匹配對高效頻率轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。
拿二次諧波為例，如果相位匹配的話，二次諧波的幅值隨晶體長度線性增加。然而 由于色散效應(yīng)導(dǎo)致的相位失配，一般情況下，二次諧波幅值會(huì)沿著傳播方向以2Lc為周 期震蕩（Lc是非線性相互作用的相干長度）。
準(zhǔn)相位匹配(quasi-phase-matching,QPM)技術(shù)是克服相位失配的通俗有效的方法， 它可以在NPC（例如電極化的LiNbO3晶體）中實(shí)現(xiàn)，可用來提高總體的轉(zhuǎn)換效率。
通過周期性的改變非線性系數(shù)的符號，產(chǎn)生的二次諧波可以沿著傳播方向連續(xù)增 加。但是迄今為止，準(zhǔn)相位匹配技術(shù)因受到傳統(tǒng)制備方法的限制而僅在一維和二維情況 下成功實(shí)現(xiàn)，三維NPC的實(shí)現(xiàn)仍然是非線性光學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
制備LiNbO3 NPC的經(jīng)典方法是電極化法。
在這個(gè)方法中，LiNbO3 NPC中的鐵電疇通過選擇性的施加電場加以逆轉(zhuǎn)。其它的 方法包括：化學(xué)擴(kuò)散、掃描力顯微鏡極化法、電子束極化等方法被開發(fā)出來用于特定的情況如周期性極化LiNbO3 NPC波導(dǎo)、表面極化和短周期極化等。然而這些傳統(tǒng)技術(shù)都 沒有實(shí)現(xiàn)3D NPC的制備。
飛秒激光直寫技術(shù)是攻克這一里程碑式難題的最有利武器。最近，在摻鈦 LiNbO3 波導(dǎo)中成功實(shí)驗(yàn)演示了近紅外飛秒激光極化實(shí)驗(yàn)。然而，在NPC內(nèi)部實(shí)現(xiàn)極化 仍然是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。
南京大學(xué)Dunzhao Wei和中國科技大學(xué)Chaowei Wang等人通過優(yōu)化激光參數(shù)來選 擇性去除LiNbO3 晶體中的非線性系數(shù)χ(2) ，成功演示了不同類型的3D LiNbO3 NPC
除了通過3D QPM機(jī)制得到的高效頻率轉(zhuǎn)換效率，他們的工作還揭示了幾個(gè)獨(dú)一無 二的特點(diǎn)。
LiNbO3晶體是最受歡迎的NPC材料之一，非線性光學(xué)領(lǐng)域的工作人員可以很容易 的演示實(shí)驗(yàn)方案并且與現(xiàn)有的非線性光學(xué)調(diào)制技術(shù)相兼容。
飛秒激光加工的條件很容易就可以達(dá)到，而且可以拓展到很大一批NPC材料中， 如LiNbO3 and KTiOPO4晶體等。
此外，這種加工技術(shù)可以很方便的用來制備更加復(fù)雜的三維光子晶體結(jié)構(gòu)從而精 確調(diào)控非線性光波，這在非線性光束整形、非線性光學(xué)成像和三維非線性全息術(shù)等方面 都有巨大應(yīng)用前景。
波量科技提供高質(zhì)量的鈮酸鋰（LiNbO3）晶體，尺寸最大可以到 50mm， 并能提供鍍介質(zhì)膜或電極膜。 鈮酸鋰晶體是一種優(yōu)異的人工晶體，可以作為雙折射器件使用，也可以用于 非線性應(yīng)用，或者用于電光效應(yīng)場合。其電光系數(shù)比較大，而且價(jià)格便宜，是制 作電光調(diào)制器的常用材料。具有較高的雙折射率，也常用于光通訊器件中，起到 偏振元件的作用。在非線性方面，被廣泛應(yīng)用于 OPO 和 OPM。
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