摘要：李志远课题组关于非线性光学的研究获得重大突破。利用自行设计制备的啁啾结构非线性光子晶体首次实现宽带超连续高次谐波的产生，同时产生了二到八次谐波。

关键词：非线性光学，准相位匹配，高次谐波，啁啾结构

自激光产生至今，已经成功地利用非线性光学晶体材料中的倍频、和频、差频等非线性光学效应将激光扩展到深紫外、可见、红外、太赫兹范围，并实现了宽带相干光源和超快脉冲激光。中科院物理所李志远课题组近几年致力于准相位匹配技术（quasi-phase matching, QPM） 实现高效率非线性转换的研究，在铌酸锂超晶格非线性晶体中实现了多方向二次谐波的产生【Appl. Phys. Lett. 105, 151106 (2014)】，以及宽带二次谐波和三次谐波的同时产生【Light: Science & Applications 3, e189 (2014)】。

由于实现高次谐波的过程涉及非线性上转换过程很多，而单块晶体所能提供的倒格矢很难同时对这些过程中的相位失配进行补偿，难以在单块非线性晶体中实现更高次谐波的产生。通常级联使用多块非线性晶体以产生高次谐波，并需要精细地控制每块晶体的相位匹配条件。最近，研究组博士研究生陈宝琴、张超、胡晨阳和副研究员刘荣鹃等在李志远研究员的指导下，利用啁啾结构非线性光子晶体的宽带倒格矢分布，首次实现了宽带超连续高次谐波的产生，在单块晶体中同时产生了二到八次谐波【Phy. Rev. Lett. 115, 083902 (2015)】。

图 1：啁啾结构非线性光子晶体的构造示意图

啁啾结构的周期性极化铌酸锂晶体如图1所示。在沿光传播的方向，将负畴的厚度选为固定值，通过改变正畴的厚度来调节极化的周期，采用高压脉冲极化技术制备的实验样品长1.6 cm。通过对啁啾结构中畴分布的位置函数进行傅里叶变换得到结构的倒格矢分布，具有多个倒格矢宽带，不仅能补偿各非线性过程的相位失配，还能使入射中红外飞秒脉冲泵浦激光（基频光）的各波长成分都能参与到高次谐波产生的非线性过程当中，从而充分利用激光线宽内的各成分能量，产生高亮度的高次谐波。

实验采用中红外飞秒脉冲激光器。中红外的飞秒激光（脉冲宽度115 fs, 平均功率20 mW, 带宽3400-3800 nm, 重复频率1 kHz, 峰值功率0.17 GW）经过啁啾结构样品后输出一个非常亮的白光光斑。转换效率约为18%（可见光波段400-800nm），远高于用强激光轰击原子气体和等离子体获得高次谐波的转换效率。其中，各阶谐波的转换效率分别为：四次谐波（850-950nm）~0.7%， 五次谐波（660-850nm）~4.5%，六次谐波（560-660nm）~7.2%，七次谐波（485-560nm）~5.1%，八次谐波（350-485nm）~1.2%。结果表明，采用特殊的设计，高阶谐波的转换效率可远高于低阶谐波。

啁啾结构非线性超晶格成功实现高次谐波依赖六大关键因素，即（1）利用了铌酸锂晶体最大的非线性系数d33；（2）样品提供了一系列的倒格矢带，基本满足级联过程产生多阶高次谐波的要求；（3） 倒格矢带有足够的带宽，可覆盖泵浦飞秒激光的带宽，从而最大限度地利用基频光所有频谱成分的能量；（4） 泵浦光为飞秒脉冲激光，有高的峰值功率水平，可显著提升非线性相互作用强度；（5）一维非线性超晶格中各准相位匹配过程均为共线发生，精简了光路调整，避免了走离效应，增加了非线性作用长度；（6）单块晶体避免了使用多块级联晶体带来的晶体界面耦合损耗问题。

李志远现为物理与光电学院教授，陈宝琴为师资博士后。

（供稿：邓院长）