2018年，南京大学张勇教师、教师、祝世宁院士领衔的科研团队勾引 大爷，聚积中国科学技巧大学吴东教师，建造出飞秒激光擦除铁电畴技巧，初次告捷制备出三维铌酸锂（LiNbO3）非线性光子晶体（Nonlinear Photonic Crystal，简称 NPC）。近日，他们又在执行演出示了第一个三维NPC应用：三维非线性光束整形，其效果相较于传统的二维决议擢升了两个数目级。相关责任以“Efficient nonlinear beam shaping in three-dimensional lithium niobate nonlinear photonic crystals”为题于2019年9月13日发表在Nature Communications 10， 4193 (2019)上。

非线性光束整形技巧不错在频率调遣的同期完成对非线性光束的波前调制，制备出非线性聚焦光斑、非线性涡旋光束、非线性不衍射光束等。之前，受限于一维和两维非线性光子晶体的调制维度，非线性光束整形往往难以满足相位匹配条目，是以非线性调遣效果较低。在三维非线性光子晶体内部，全空间维度非线性统共调控使得高效非线性光束整造成为可能。

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阁下三维NPC的三个解放度，通过非线性全息和周期结构阵列的打算决议，不错罢了高效的非线性光束整形。以LiNbO3晶体为例，传统罢了全波前的调制是在晶体的x-y平面内通过电极化等手脚进行二维二元相位调制（图1 a），当基频光沿z标的通过晶体后，就不错得回经整形后的倍频光。但由于相位失配和d22统共较小，1mm长度晶体的调遣效果时常低于。该究诘中，科研东说念主员聘请飞秒加工的手脚在LiNbO3中制备三维非线性光子晶体（图1 b），不错阁下LiNbO3的最大非线性统共d33：通过取舍在x-z面内进行非线性波前调制，一路向西2之泰西在y标的周期性漫衍以提供绝顶的倒格矢来弥补基频光与倍频光在传播方朝上的相位失配，从而满足准相位匹配条目，提高调遣效果。

图1 3D NPC打算旨趣图 a基波通过二维非线性叉形光栅后产生的Raman-Nath衍射的露出图以及在不同衍射级次上存在的波矢失配；b基波通过三维非线性叉形光栅后产生的二级Raman-Nath衍射的露出图以及在第二级次上的相位匹配。

为了考据这一表面，究诘东说念主员在5% MgO掺杂的LiNbO3单晶中打算了三维NPC，永诀用来产生二次谐波涡旋光束和厄米特-高斯（简称HG）花样光束。图2展示了三维非线性叉形光栅和高效产生佩带不同拓扑荷的二次谐波涡旋光。图2a 给出了阁下非线性切伦科夫共聚焦显微镜得到的结构图，结构尺寸为 45μm (x)×45μm (y)×45μm (z)，其中x向和y向的调制周期均为3 μm，所提供的倒格矢Gx = Gy = 2π/3 μm-1。当基频光沿晶体y向射入，偏振标的沿z向时，对应的±1、±2和±3级匹配波长表面值永诀为819nm，801nm，776nm。图3a给出了基波强度不变时，不同级次二次谐波强度随基波波长的变化，不错看到各级次满足准相位匹配的波长为820nm，802nm，781nm，与表面值基本相符。同期，不错不雅察到在±1、±2和±3级次上永诀得到拓扑荷为±1、±2和±3的涡旋光（图2b-2d）。图3b给出了在各级次匹配波长下，二次谐波强度随基波强度的变化。当基波功率为1.2W时，±1、±2和±3级次的倍频调遣效果永诀不错达到2.8×10-5、2.7×10-5和0.44×10-5。

图2 3D非线性叉形光栅的远场衍射图 a 基于Čerenkov型二次谐波共聚焦显微镜得到的3D结构x-z和x-y面的图像 b-d ，，衍射级次增强所对应的基波820nm，802nm，781nm入射下的Raman-Nath衍射图

图3 3D叉形光栅倍频调遣效果 a.二次谐波强度随基波波长的变化；b. 二次谐波强度随基波强度变化的关系

除三维叉形光栅之外，究诘东说念主员还打算了一种不错将基模高斯光调遣为二次谐波HG花样的结构。图4a给出了结构的三维露出图和二次谐波共聚焦显微镜得到的x-z截面图，结构尺寸为32μm (x)×90μm (y)×32μm (z)，其中y标的30个周期，周期为3μm，第一级次匹配波长的表面值为819nm。二次谐波强度随基波波长的变化如图4c所示，第一级次的本体匹配波长为818nm，与表面值吻合。818nm的基波沿晶体y向射入，远场衍射不错看到级次上出现了HG(1，1)模（图4b）。图4d给出了二次谐波强度随基波强度变化的关系，当基波功率为1.2W时，+1（或-1）级次的倍频调遣效果不错达到3.97×10-4. 调遣效果比电极化制备的二维NPC擢升两个数目级。

图4 HG花样的产生 a. 3D结构露出图和二次谐波共聚焦显微镜得到的x-z截面图；b. 基波波长为818nm时二次谐波衍射图；c. 二次谐波强度随基波波长的变化；d. 二次谐波强度随基波强度变化的关系

应用：

三维NPC中的高效非线性光束整形展现了其对非线性光波的精准三维驾御功能，不错进一步推广至三维非线性全息、高维光子纠缠态的产生等。不仅如斯，几十微米尺寸的三维NPC同期具有频率调遣和光场调控功能，也将是光子芯片上高维集成光源的潜在取舍之一。

南京大学为论文第一单元，南京大学魏敦钊博士、顼晓仪同学和中国科技大学汪超炜博士为共同第一作家，通信作家为张勇教师，吴东教师和教师。该项究诘责任得到了科技部国度要点研发计较、国度当然科学基金、固体微结构物理国度要点执行室和东说念主工微结构科学与技巧协同革命中心的维持。

（固体微结构物理国度要点执行室 科学技巧处）勾引 大爷