中國(guó)科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吳東教授課題組與南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張勇、肖敏課題組以及胡小鵬、祝世寧課題組合作，利用飛秒激光電疇擦除技術(shù)首次成功制備出三維非線(xiàn)性光子晶體，并實(shí)現(xiàn)了三維準(zhǔn)相位匹配的激光倍頻。相關(guān)成果近期以“Experimental demonstration of a three-dimensional lithium niobate nonlinear photonic crystal”為題，8月20號(hào)在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際權(quán)威光學(xué)期刊Nature Photonics [doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0240-2] 上。

 

光子晶體是近些年發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新興領(lǐng)域，制備并研究非線(xiàn)性極化率周期變化的非線(xiàn)性光子晶體成為目前研究的熱點(diǎn)，用非線(xiàn)性光子晶體拓展光學(xué)領(lǐng)域、制作光學(xué)器件是非線(xiàn)性光子晶體研究的重要方向。在早期的研究中，南京大學(xué)研究組采用晶體生長(zhǎng)條紋技術(shù)和室溫極化技術(shù)成功研制出了一維、二維非線(xiàn)性光子晶體，并展示了其在非線(xiàn)性光束整形、光量子信息處理等方面許多新的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，研究人員也期待著能研制出三維非線(xiàn)性光子晶體，從中揭示更多的新奇效應(yīng)。然而，傳統(tǒng)制備技術(shù)，包括晶體生長(zhǎng)技術(shù)、室溫電場(chǎng)極化技術(shù)等，都難以在晶體內(nèi)部實(shí)現(xiàn)三維電疇結(jié)構(gòu)的排列。制備三維非線(xiàn)性光子晶體成為近二十年非線(xiàn)性光學(xué)領(lǐng)域令人困惑的難題之一，飛秒激光的出現(xiàn)解決了這一難題。得益于極短的脈寬，飛秒激光很容易產(chǎn)生極高的峰值功率，從而使光與物質(zhì)發(fā)生多光子吸收或隧穿電離等非線(xiàn)性作用，使其可以深入透明介質(zhì)內(nèi)部，以超越光學(xué)衍射極限的精度對(duì)材料進(jìn)行三維微加工。

 

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)與南京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)合作發(fā)展出一種全新的電疇控制技術(shù)：利用聚焦飛秒激光在鈮酸鋰晶體內(nèi)部實(shí)現(xiàn)鐵電疇(二階非線(xiàn)性光學(xué)系數(shù))的定點(diǎn)擦除，實(shí)現(xiàn)了二階非線(xiàn)性光學(xué)系數(shù)在三維空間的調(diào)制。在制備結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，吳東教授團(tuán)隊(duì)提出了不同層能量補(bǔ)償加工技術(shù)，保證了三維結(jié)構(gòu)的整體均一性。經(jīng)過(guò)兩年多時(shí)間的摸索，在鈮酸鋰晶體中成功制備出了四方結(jié)構(gòu)的三維非線(xiàn)性光子晶體，光子晶體的三維周期結(jié)構(gòu)參數(shù)為3 μm (x) × 3 μm (y) × 11 μm (z)。南大研究團(tuán)隊(duì)在后續(xù)實(shí)驗(yàn)上成功觀察到了預(yù)期的三維準(zhǔn)相位匹配倍頻效應(yīng)，100 μm光程的共線(xiàn)倍頻轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了10^-4, 該值與理論估算相一致。三維非線(xiàn)性光子晶體研制成功為研究三維空間的非線(xiàn)性光學(xué)和量子光學(xué)研究提供了一種新材料, 也為三維微納光子器件的發(fā)展提供了支撐。實(shí)際上三維非線(xiàn)性光子晶體中調(diào)制的不僅有二階非線(xiàn)性光學(xué)系數(shù)，由于鐵電晶體中壓電系數(shù)、電光系數(shù)、熱電系數(shù)等所有奇數(shù)階物性張量都是隨電疇調(diào)制的，也形成了三維空間分布，可以預(yù)見(jiàn)，更多的新的光、聲及其耦合效應(yīng)將會(huì)從這種新材料中被陸續(xù)揭示出來(lái)。

 

 

 圖1. (a)三維非線(xiàn)性光子晶體；(b) 三維準(zhǔn)相位匹配倍頻 

 

吳東教授所在的工程科學(xué)學(xué)院微納米工程實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期從事飛秒激光微納加工方面的研究，具有良好的工作基礎(chǔ)和積累[Adv. Funct. Mater. 27, 1701939 (2017); Light-Sci Appl, 6(7): e17011 (2017); Small 13, 1701190 (2017); Adv. Opt. Mater., 6(9): 1701299 (2018). Opt. Express 25, 8144 (2017)等]。 

 

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)2016級(jí)博士生汪超煒、南京大學(xué)魏敦釗博士、王慧君同學(xué)和胡小鵬副教授為論文共同第一作者，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程學(xué)院吳東教授、南京大學(xué)張勇教授、肖敏教授和祝世寧院士為論文共同通訊作者。該項(xiàng)研究工作得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院儀器專(zhuān)項(xiàng)、固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。 

 

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-018-0240-2