飞秒激光直写制备三维非线性晶体光波导结构及其特性研究

Optical waveguides are basic elements of integrated optics. Highly integrated three dimensional waveguide devices have significant applications in many areas. The femtosecond laser direct writing of transparent optical materials with micro-nanoscale machining could be an efficient way to fabricate optical waveguides with various geometries. Nonlinear optical crystals can be used for frequency conversion, which have wide applications in telecommunications, lasers, and quantum optics. In this project, we will investigate the fabrication of 3D waveguide devices in nonlinear crystals by direct femtosecond laser writing, and their properties. The nonlinear optical effects will be realized in 3D spatial scale. The main research topics include the following: to systematically study the refractive index modifications of nonlinear crystals under processing of femtosecond laser pulses, and to develop special techniques for crystals with different structures and maintain their nonlinear features in the guiding cores. We will also focus on the fabrication, design, and characterization of the 3D nonlinear crystalline waveguide devices, and explore the nonlinear process based on the platforms of 3D waveguides. This work will offer related theoretical evidence and solid experimental fundamentals for 3D nonlinear waveguides, and facilitate their potential applications in integrated optics and quantum optics.

光波导是集成光学的基本元件，高度集成化的三维光波导结构器件在许多领域具有重要的应用。利用飞秒激光直写技术对光学材料进行微纳加工，可以制备多种类型的光波导结构。非线性光学晶体可用于实现频率转换，在光通讯、激光、量子光学等领域有广泛的应用。本项目将研究飞秒激光直写技术非线性晶体三维光波导器件的制备、特性，并实现在三维尺度上的非线性光学效应，为三维波导器件的应用提供理论和实验基础。本项目的主要内容包括：系统研究飞秒激光诱导非线性光学晶体折射率变化规律及物理机制，发展针对不同结构的非线性晶体的波导制备方法，并保持波导内的非线性属性，为实现高效的导波频率转换提供理论和实验依据；在此基础上，进行三维非线性晶体光波导结构的设计、制备与性能表征，并探索基于这些光波导结构的非线性光学过程，为在集成光子学以及量子光学领域中的应用提供实验依据。

光波导是集成光学的基本元件，高度集成化的三维光波导结构器件在许多领域具有重要的应用。利用飞秒激光直写技术对光学材料进行微纳加工，可以制备多种类型的光波导结构。非线性光学晶体可用于实现频率转换，在光通讯、激光、量子光学等领域有广泛的应用。本项目研究了飞秒激光直写技术非线性晶体三维光波导器件的制备、特性，并实现在三维尺度上非线性光学效应，为三维波导器件的应用提供理论和实验基础。项目的主要研究内容有：飞秒激光诱导非线性光学晶体折射率变化及物理机制；三维非线性晶体光波导结构的设计与制备；三维非线性晶体光波导结构的性能表征；基于三维非线性晶体光波导结构的应用探索。通过本项目的研究，揭示了飞秒激光诱导晶体和玻璃改性的物理机理，实现了对波导性能的调控；利用飞秒激光直写技术在LiNbO3晶体、LiTaO3晶体、KTP晶体和LBO晶体中成功制备了高质量、低损耗的三维光波导结构，实现了特定波长下的非线性频率转换（倍频）过程；基于飞秒激光直写技术，在LiNbO3晶体、Nd:YAG晶体和6H-SiC晶体中制备了新型晶体光波导和新型波导器件，实现了三维分束、偏振分离和离散衍射等应用；在Nd:YAG晶体、Nd:YVO4晶体、Nd:GGG晶体和Nd:YLF晶体等激光晶体中制备了包层光波导结构，实现了高性能新型波导激光器的研制，提升了三维波导激光的输出性能；撰写了三篇关于飞秒激光直写晶体材料光子结构的综述论文。本项目的研究成果为基于飞秒激光直写非线性晶体的波导微结构在频率转换、激光产生、量子光学等领域中的应用提供了理论和实验基础。