基于非线性界面新型相位匹配方法的激光频率转换和调控

Phase matching is a fundamental yet important issue in nonlinear optics. Traditional phase-matching methods are limited in some circumstances, thus flexible and tunable ones are desired. In this project, we propose the novel nonlinear phase-matching method on the mechanism of Cherenkov radiation at nonlinear interfaces with the interference effect extended from linear to nonlinear regime. And with the stack structure of nonlinear interfaces, the second harmonic emitted from each interface constructively interferes, giving enhanced results. Efficient CW(quasi-CW) wavelength-tunable extreme ultraviolet second harmonic generation (<180 nm) is expected, with an equivalent efficiency to that of QPM. We also propose the concept of nonlinear metasurface. We are to modulate the second harmonic from radiation to localized state to excite plasmon with nonlinear excitation. Meanwhile, nonlinear negative refraction effect is also to be realized. Such a method, based on novel microstructures of nonlinear interfaces, may make a breakthrough in the research of the frequency conversion and light manipulation in mesoscopic materials.

相位匹配是非线性光学频率转换中的一个重要基础问题。传统的非线性相位匹配方法存在一定的局限性，因此需要寻找更多灵活、可调谐的相位匹配方法。在本项目中，申请人将光的线性干涉推广到非线性领域，提出利用切伦科夫辐射机制的新型非线性相位匹配方法，通过设计非线性界面堆栈结构，达到非线性输出的相干增强，效率与准相位匹配相当。利用这一新型相位匹配方式实现高效的真空紫外波长可调谐连续（准连续）倍频光（<180 nm）输出。提出非线性超构表面概念，通过对非线性谐波的调制实现谐波辐射由传输态到局域态的转化，实现非线性等离子激元激发，同时基于非线性超构表面实现非线性负折射效应。本项目提出的基于新型非线性介观结构（界面和超构表面）实现新型非线性相位匹配的原理和技术，可望突破目前传统原理及技术上在频率变换以及调控过程中的局限。

相位匹配是非线性光学频率转换中的一个重要基础问题。传统的非线性相位匹配方法存在一定的局限性，因此需要寻找更多灵活、可调谐的相位匹配方法。本项目通过理论推导、材料制备、实验论证三个方面的研究工作，在基于非线性界面新型相位匹配方法的激光频率转换和调控的研究中取得突破。具体研究成果包括：（1）完善了界面上基于非线性Snell 定律的切伦科夫辐射新型相位匹配方法，理论上推导了三维结构中非线性谐波传输的一般形式，实验上通过非线性晶体微结构实现了光场的调制；（2）实现了界面增强的紫外谐波输出，最短波长可到205 nm；基于界面获得宽带谐波产生和大位移光子霍尔效应。（3）自主生长了大尺寸真空紫外钡镁氟(BaMgF4)晶体，并对其进行了电场极化和陶瓷烧结等工艺的研究。通过双折射相位匹配和准相位匹配成功实现非线性谐波输出。（4）探究了真空紫外匹配机制新方案：完成腔增强倍频实验。（5）项目授权国家发明专利3项，发表SCI收录源论文47篇，培养博士研究生6名，硕士研究生4名。