三维准相位匹配研究进展

编者按

2021年是山东大学建校120周年，也正值山东大学光学学科成立逾50周年之际，《中国激光》特别组织策划山东大学百廿校庆之“山大光学50年”纪念专辑，邀请山大校友及校外支持专家撰稿，集中展示山大光学学科的最新研究成果。本专辑于2021年6月正式出版，请多多关注！

本文来源于山东大学晶体材料研究院张怀金教授课题组，文章从准相位匹配的基本理论出发，综述了三维准相位匹配的研究进展，介绍了钛酸钡钙、铌酸锂和钽铌酸钾在三维准相位匹配中的应用。

原文下载：杜金恒, 宋伟, 张怀金. 三维准相位匹配研究进展[J]. 中国激光, 2021, 48(12): 1208001

非线性光子晶体（NPC）具有空间相关的二阶非线性系数，通过准相位匹配（QPM）可以有效地控制非线性光学相互作用。一维和二维NPC已被广泛用于激光频率转换、空间光调制和非线性光学成像中。然而，受传统极化方法的限制，三维（3D）NPC的实现仍然是非线性光学领域的最大挑战之一。

其中，利用飞秒激光可以选择性地擦除铌酸锂（LN）晶体的非线性系数，进而获得3D LN NPC；利用铁电钛酸钡钙（BCT）晶体的自发畴结构也可实现3D调制的QPM；使用激光直写技术亦可在BCT晶体中制造3D NPC。此外，具有自发的魔方立方状畴结构的天然钽铌酸钾（KTN）钙钛矿NPC，无需外部极化即可直接满足3D QPM条件。

3D NPC晶体可以广泛应用于需要产生和控制新频率光的领域，实现非线性光束整形、非线性成像和三维非线性全息等应用。

目前，人工极化制备的光子晶体都是在一个维度极化方向上对互反的铁电畴进行空间周期调制。然而，铁电晶体中的铁电畴结构较为丰富，若能在三维极化方向上对铁电畴的空间周期进行调制，为准相位匹配过程提供更加复杂的超晶格倒格矢，并通过充分利用内部的畴结构，在准相位匹配过程中增加旋转角度和角度相位等可操纵的物理参数，则这种自发极化结构能够打破传统的相位匹配或准相位匹配介质对基频光入射方向及其偏振方向的刚性要求，从而拓展非线性光学效应的研究范畴。

三维铌酸锂非线性光子晶体的实现

2018年，祝世宁院士团队采用飞秒激光直写方法制备了一种三维 LN NPC结构，通过优化激光参数有选择性地擦除LN晶体的非线性系数。其物理机制可以理解为：通过激光照射降低结晶度，这已在加工区域内所测量的透射电子显微镜（TEM）衍射图和微拉曼信号中得到了证实。

非线性相互作用波在周期性极化的LN晶体中即可以通过反向铁电畴进行相位调制，也可以在激光加工的LN晶体中进行空间幅度调制。在理想情况下，加工区域中会形成非晶结构，这可以将非线性系数减小为零。当非线性系数被周期性地擦除时，二次谐波场在第一个相干长度Lc中增加，在第二个相干长度Lc中保持不变，然后重复这种能量增加的模式。如图[1(a)]中的蓝线所示。

尽管激光直写LN晶体的理论转换效率是理想的电极化非线性晶体的理论转换效率的四分之一，但与相位失配的情况相比，仍有显著提高[图1(a)]。与激光极化方法相比，此激光工程的要求更容易满足，尤其是沿深度方向的工程要求。

更重要的是，该技术可用于在包括LN晶体在内的大多数非线性材料中制造任意三维NPC结构[图1(b)]。

图1 （a）完全相位匹配、基于极化LN晶体的QPM、基于激光直写LN晶体的QPM与相位失配的比较；（b）飞秒激光直写实现的三维非线性光子晶体结构示意图

波导集成三维准相位匹配结构

2020年，德国Denz课题组也采用激光擦除的方法在LN波导中制备了3D非线性结构，如图2所示。研究者将波导纤芯设计成两部分[图2(c)]或四部分[图2(d)]，进行并行的多波长频率转换，从而实现结构的紧凑设计。与非线性光子晶体相比，将3D QPM结构集成到波导中可提高转换效率。

图2  （a）QPM波导设计原理图；用于调制QPM波导芯内部非线性的方案：（b）一个周期（A），（c）两个周期（A，B）和（d）四个周期（A，B，C，D）

铁电钛酸钡钙三维非线性光子晶体研究

2018年，徐天翔等人使用自发畴结构调制的BCT晶体实现了3D QPM过程，之后通过飞秒激光直写技术在BCT晶体中直写三维畴结构，实现了3D QPM过程。

天然生长的钙钛矿结构铁电晶体BCT晶体内部存在着沿三个方向分布的180°铁电畴，可为QPM过程提供三维倒格矢。通过化学腐蚀的方法对晶体表面进行腐蚀（不同取向的铁电畴腐蚀速率不同），利用晶体表面的凹凸分布情况表征晶体的畴结构，可以直观地观察到晶体的畴结构分布，进而可对晶体的3D QPM过程进行预测。

图3 自发畴结构调制的BCT晶体样品表征。（a）c切向的BCT晶体腐蚀后的畴结构扫描电子显微镜（SEM）照片；（b）a切向的BCT晶体腐蚀后的畴结构SEM照片；（c）BCT晶体中随机畴宽度的统计分布结果；（d）BCT晶体中随机三维堆垛畴的结构示意图

具有自发畴结构的BCT晶体虽然可以实现3D QPM过程，但是畴结构具有随机性，倍频转化效率低，且无法实现高阶倒格矢参与的QPM过程，因而需要制备可以调控的三维铁电畴结构。

前面提到，目前可以使用飞秒激光直写技术直接在BCT晶体中加工三维铁电畴结构，从而得到了畴结构可控的3D NPC。

图4 （a）飞秒激光脉冲在BCT晶体中制造的3D铁电畴图案的切伦科夫二次谐波显微照片；（b）的三维畴结构调制的共线倍频光功率随基频光功率的关系图（空心点为实测值，实线为二次拟合曲线）。插图：倍频光功率随波长的响应规律（红色实心点为实验值，黑色曲线为理论计算值）

以共线相互作用为例，研究者对飞秒激光直写三维畴结构获得的NPC中倍频光的转换效率进行了研究。在畴结构厚度为128 μm和纵向周期为256 μm的晶体中进行表征，结果表明，当基频光的峰值功率为35 kW，倍频光波长为670 nm时，获得的倍频光的峰值功率为2.3 W[图4(b)]。

对共线准相位匹配中倍频光的功率随波长的变化规律进行测量，实验结果与理论结果相吻合[图4(b)插图]。

图5 BCT晶体畴结构的可擦除特性。（a）BCT在居里温度以下退火后的切伦科夫二次谐波显微图像；（b）BCT在居里温度以上退火后的切伦科夫二次谐波显微图像

此外，研究人员还进行了BCT晶体3D铁电畴结构的可擦除特性研究，将激光加工后的具有畴结构的样品进行退火处理，当退火温度达到居里温度120 ℃并缓慢降低至室温时，畴结构会被擦除[图5(b)]。

自然生长的钽铌酸钾钙钛矿铁电体中的三维非线性光子晶体研究

天然形成的KTN晶体显示出丰富的倒格矢，如图6所示，打破了传统极化非线性光子晶体对入射光偏振方向和晶体方向的严格要求，被广泛用于需要产生和控制新频率光的领域。并且KTN晶体很容易与激光写入技术兼容，这意味着有可能创建分层非线性光学调制。因此，这种钙钛矿铁电体中的三维非线性光子晶体在光通信、非线性成像和片上信号处理中具有广泛的应用。

图6 样品表征。（a）偏光显微镜下KTN晶体a-b面铁电畴结构图像；（b）KTN晶体180°随机畴的周期长度统计分布结果

结论与展望

准相位匹配技术利用二阶非线性系数的周期调制结构，将倒格矢引入频域内参与相位匹配过程，以弥补非线性光学过程中的相位失配，从而实现能量在相互作用光波间的高效转换，具有灵活多变的技术特点，己被广泛应用于多个领域。

近年来，研究者不仅发现了具有自发三维畴结构的晶体，还利用激光加工技术人工获得了三维非线性光子晶体，并利用波导结构提升了转换效率。

但是目前倍频激光输出的光束质量尚无长足进步，现阶段研究都是局限于激光的转换效率方面，下一步需要在提高转换效率的同时使用恰当的方式提高输出光束的光斑质量，以获得更广泛的应用。

相信在各位研究者不断的努力下，三维准相位匹配应用的范围会越来越广，并出现更加丰富多彩的物理现象。

课题组介绍

山东大学晶体材料研究院张怀金教授、于浩海教授课题组主要成员包括张怀金教授、于浩海教授、路大治副研究员、梁飞副研究员以及博士后一人、在读博士十人、在读硕士九人。本课题组主要从事人工晶体生长及性能、光电功能晶体、激光技术与器件以及晶体物理方面的研究工作，包括激光晶体和器件、复合功能晶体和器件、压电/铁电晶体、饱和吸收材料探索等。

科学编辑 | 杜金恒 张怀金

编辑 | 沈灵灵

推荐阅读

微信稿封面图来源于 https://doi.org/10.1002/lpor.202000224，如涉及版权等问题，请作者在20个工作日之内来电或来函联系，我们将协调给予处理（按照法规支付稿费或删除）。

END

由于微信公众号试行乱序推送，您可能没办法准时收到“爱光学”的文章。为了让您第一时间看到“爱光学”的新鲜推送， 请您：

1. 将“爱光学”点亮星标（具体操作见文末）
2. 多给我们点“在看”

欢迎爆料

新闻线索、各类投稿、观点探讨、故事趣事

留言/邮件，我来让你/事红

爆料请联系：[e-mail]

点在看联系更紧密