文章来源：光电汇OESHOW
近日，华南理工大学物理与光电学院李志远教授团队在高峰值功率飞秒脉冲激光的泵浦下，在单片铌酸锂薄膜波导中实现了微焦耳量级的二次谐波和宽带色散波的同时产生，转换效率超过25%。其中二次谐波产生是基于二阶非线性效应的模式相位匹配机制，而色散波产生是基于三阶非线性效应的自相位调制和高阶色散所引起的孤子动力学扰动。该研究工作已发表在光学权威期刊Laser & Photonics Reviews上（点击“阅读原文”查看）。
在非线性光学的众多应用中，二次谐波产生是最基本和最普遍的。由于晶体材料中双折射效应的存在，在LNTF平台上实现高效的二次谐波产生，相互作用的光波模式之间需要满足模式相位匹配或者准相位匹配。其中模式相位匹配避免了对LNTF实施复杂且难以控制的畴极化反转，是一种更为简便的方式。
色散波的产生同样需要满足相位匹配条件。当高峰值功率的超短脉冲激光在LNTF中传播时，自相位调制效应引入了正啁啾，导致原始脉冲包络内的频谱展宽。在LNTF的异常色散区域，群速度色散引入的负啁啾与自相位调制引入的正啁啾可以相互补偿，形成长距离传播中波形稳定或者周期性演化的光孤子。高阶孤子在异常色散区域传播过程时会在高阶色散的扰动下分裂成基阶孤子，基阶孤子在正常色散区域辐射色散波并向其传递能量以维持波形稳定。为了使孤子的能量有效的转移到色散波，色散波的相速度必须与孤子相匹配。
研究团队对LNTF中二次谐波产生和色散产生的相位匹配条件进行了详细的理论分析，通过精心设计LNTF中几何色散，模式色散和相互作用光波模式之间的模式重叠，在飞秒脉冲激光的泵浦下，在单片LNTF波导中成功实现了微焦耳量级的模式相位匹配二次谐波的产生和宽带色散波的产生，且转换效率超过25%。在其实验观测中，LNTF波导出射端面出现了显著且对称分布的二次谐波和色散波光斑分布，展示出强烈的空间色散特性。
李志远教授团队详细的分析了出射端面不同区域的光斑分布和光谱特性，明确阐述了不同区域图案分布和光谱分布的特点和原因。此外，团队还详细的研究了不同泵浦能量下的出射光谱演化，并且利用简化后的广义非线性薛定谔方程研究了泵浦脉冲沿着传播路径的光谱演化过程。仿真计算中只关注高阶色散，自相位调制和自陡峭效应的影响，聚焦于一个最小的模型，以捕获光谱演化的基本物理。仿真结果与实验结果具有很好的一致性，为实验现象提供了很好的解释。
研究团队表明，有效的紫外-可见-近红外的超连续谱产生通常需要优化铌酸锂波导的色散工程和畴工程，使用复杂的刻蚀工艺将泵浦激光置于铌酸锂波导的异常色散区域，再施加高压制备周期性反转畴结构才能实现。而该项工作在近可见波长的泵浦下，在没有刻蚀和没有施行准相位匹配的LNTF中，实现了可见光波段宽带的色散波产生。宽带的色散波与自相位调制展宽后的泵浦光波无缝衔接在一起，形成了可见-近红外区域接近一个倍频程的超连续谱。这一进展为高效和高能量的片上超连续谱产生提供了一种简单可行的方法。
研究团队指出，该项工作展示了LNTF上非线性光相互作用的丰富物理特性，通过实施合理的色散工程和畴工程，充分利用二阶和三阶非线性效应的协同作用，可以在当前LNTF波导中实现高能量，高平坦度的紫外-可见-近红外超连续谱产生，为精密光谱学，计量学，信号处理处理以及光通讯等领域的众多应用开辟新的可能性和途径。
来源：华南理工大学物理与光电学院
