中国科学院材料力学行为和设计重点实验室吴东教授课题组与南京大学固体微结构国家重点实验室张勇、肖敏课题组以及胡小鹏、祝世宁课题组合作，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，8月20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领域，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和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收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。

 

中国科学技术大学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，吴东教授团队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。

 

 

 图1. (a)三维非线性光子晶体；(b) 三维准相位匹配倍频 

 

吴东教授所在的工程科学学院微纳米工程实验室长期从事飞秒激光微纳加工方面的研究，具有良好的工作基础和积累[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]。 

 

中国科学技术大学2016级博士生汪超炜、南京大学魏敦钊博士、王慧君同学和胡小鹏副教授为论文共同第一作者，中国科学技术大学工程学院吴东教授、南京大学张勇教授、肖敏教授和祝世宁院士为论文共同通讯作者。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持。 

 

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