基于飞秒激光直写的三维非线性光子晶体宽波段倍频性能研究

The three-dimensional (3D) nonlinear photonic crystal (NPC) can modulate and produce the 3D quasi-phase matching process, which is an ideal medium for promoting the development of nonlinear optics towards high dimensions. At the same time, 3D NPC has important research and application value in the fields such as frequency conversion, beam shaping, and quantum communication. Although the experimental research on 3D NPCs has made some breakthroughs, the available frequency conversion spectrum is narrow and the processing substrate is relatively simple. In this project, we intends to apply the femtosecond laser writing technique to process 3D ferroelectric domain structures, which can form 3D NPCs, and carry out research work on broadband 3D quasi-phase matching process. This project mainly focuses on exploring two key scientific issues: the group velocity dispersion between light waves in the 3D quasi-phase matching process and the physical mechanism of the influence of femtosecond laser parameters on the structure morphology of ferroelectric domains. This project is aiming to construct spectral width model of 3D quasi-phase matching process by Fourier analysis combined with the dispersion condition, and obtain the processing conditions of the 3D ferroelectric domain structures in ferroelectric crystals with high optical quality, and finally realize broadband frequency doubling of 1-2 μm lasers via one crystal. The implementation of this project will lay a solid foundation for expanding the application of quasi-phase matching technique in laser frequency conversion, quantum communication and other fields.

三维非线性光子晶体可调制实现三维准相位匹配过程，是推动非线性光学向高维度发展的理想介质，而且在激光变频、光波整形、量子通讯等领域有重要的研究和应用价值。虽然目前对于三维非线性光子晶体的实验研究取得了一定的突破，但可实现的变频光谱较窄、加工基质较为单一。本项目拟利用飞秒激光直写加工三维铁电畴结构，构成三维非线性光子晶体，并开展宽波段三维准相位匹配过程的研究工作。本项目主要围绕探索三维准相位匹配过程中光波间的群速色散特性、飞秒激光参数对铁电畴结构形貌影响的物理机制两个关键科学问题展开，旨在通过傅里叶分析结合色散情况构建三维准相位匹配的光谱宽度模型，获得高光学质量铁电晶体中宽波段倍频用三维铁电畴结构的加工条件，最终实现单一晶体对近红外1-2微米激光的宽波段倍频输出。本项目的实施可为拓展准相位匹配技术在激光变频、量子通讯等领域的应用奠定坚实的基础。

准相位匹配技术利用周期变换的二阶非线性系数在倒空间中提供倒格矢参与三波耦合过程，从而实现能量由基波到二次谐波的高效流动（以倍频过程为例），是光学频率变换、非线性波前调制及全息成像等领域的重要技术。非线性光子晶体是准相位匹配材料的统称，按所提供的倒格矢空间分布进行分类，可分为一维、二维和三维三类，其中三维非线性光子晶体由于可提供的倒格矢在空间任意方向，从而突破一维和二维非线性光子晶体在倒格矢维度上面的局限，是研究准相位匹配理论、发挥准相位匹配技术优势的理想材料。但受限于材料制备技术，三维非线性光子晶体在很长一段时间内仅存在于理论层面。. 得益于飞秒激光加工技术的快速发展，三维非线性光子晶体近年来通过近红外飞秒激光加工技术制备成功。本项目针对三维非线性光子晶体可实现变频光谱较窄、加工基质较为单一等问题，提出以三维非线性光子晶体作为主要研究对象，研究激光参数对铁电畴反转的影响，结合理论建模，拓展三维准相位匹配在多波长变频领域的研究。项目研究过程中，成功制备了可用于宽波段倍频的立方晶系结构三维非线性光子晶体，理论分析了其倒格矢及傅里叶系数的分布情况，揭示了由点阵结构决定的特定阶增强及消光的特性，实现了倍频过程并分析了不同点阵结构对倍频光斑的影响，验证了理论预测结果；基于矫顽场较低的铌酸锶钡晶体，实现了宽波段激光诱导的铁电畴反转过程，结合非线性吸收测试结果解释了畴反转阈值随波长变化的物理机制，并详细探索研究了激光参数对铁电畴形貌的影响；进一步的，理论和实验研究了可用于可宽波段倍频及波前调制的非线性光子晶体，明确了多种结构通过横向相位匹配产生倍频光的物理机制。. 本项目的研究成果对深入理解激光诱导铁电畴反转过程，拓展三维非线性光子晶体在光学频率变换及非线性波前调制领域的应用提供了充分的理论和实验支撑，可推动基于反转铁电畴结构的集成微纳光电子器件的制造和应用。