二维分形超晶格结构非线性光子晶体的制备及其光学性能研究

在非线性晶体中，为了弥补基频和谐频激光束之间的相位差，实现基频光的有效频率转换，相互作用光波之间的相位需要达到匹配。准相位匹配技术通过调节晶体局部非线性系数的符号，引入倒易矢量来满足频率转换过程中的动量守恒条件，由此实现相位匹配。与双折射相位匹配相比，其具有可设计性强和所采用非线性系数较大等优势。分形结构具有保持无限细致的特性，其局部放大后与整体相似，即具有自相似性的特点。二维H型和谢尔宾斯基分形结构的倒空间中，倒易矢量的分布具有逐级倍增和分布密集等特点。这使得具有二维分形超晶格结构的非线性光子晶体可以在二维平面内的多个方向上提供倒易矢量，且某一方向上的倒易矢量并不单一。因此，可在某个方向上同时实现多种激光波长的有效共线准相位匹配频率转换，准连续激光束在不同方向上的共线和非共线准相位匹配谐频转换，以及红绿蓝三基色的同时产生。该研究结果在集成光电子学和终端显示的研发方面有重要的应用。

在非线性光子晶体中，由于晶体局部非线性系数的调节，在倒空间中存在特定的倒易矢量分布。利用丰富的倒易矢量来满足频率转换过程中的动量守恒条件，由此实现准相位匹配谐频。通过对晶体中超晶格结构的设计，即可改变倒易矢量分布，这使得准相位匹配技术具有极强的可操作性。分形结构具有保持无限细致的特性，其局部放大后与整体相似，即具有自相似性的特点。首先，工作小组首次成功制备高质量的H型分形超晶格结构的铌酸锂非线性光子晶体。我们对二维H型分形结构的晶体进行了系统的研究。利用激光参量振荡器作为入射基频光束，在一块晶体中实现了10种波长的共线准相位匹配倍频输出，包括674nm、592nm、577nm、544nm、517nm和499nm等倍频光。分形结构更有助于短波长的准相位匹配倍频的输出，对于499nm的倍频输出光斑而言，其归一化的转换效率可达0.53%/mW。其次，我们还制备了二维谢尔宾斯基分形非线性光子晶体，利用圆形结构全部或部分替代了常规谢尔宾斯基结构中的方形结构。对其进行了初步的光学性能测试，加之对该结构衍射图的分析，可知谢尔宾斯基分形结构中的倒易矢量在二维平面内更加丰富，这有利于多个方向上的准相位匹配倍频输出。此外，为了与分形结构进行类比，我们工作小组还成功极化出了二维十二重准周期超晶格结构的非线性光子晶体。在一块晶体的单一方向上实现了620nm, 574nm, 555nm, 515nnm和492nm共5种波长的同时倍频输出。而且，在二维平面内围绕z轴每旋转30°，即可获得相同的谐频输出。上述研究结果在集成光电子学和终端显示的研发方面有重要的应用。