铌酸锂薄膜異質內建微納結構的光學二次諧波産生與增強
導讀
在現代光學研究中，具有較大非線性光學系數的铌酸锂材料可以用來産生二次諧波 (SHG)。随着亞波長尺度下的光場探測以及內建納米制造技術的發展，無需滿足相位比對條件的非線性納米結構得到了廣泛地研究，然而要獲得更高效的非線性光學器件，仍需通過光與物質的強互相作用來進一步提高非線性光學性能。近日，暨南大學盧惠輝教授團隊（通信作者），在權威期刊Science China Physics, Mechanics & Astronomy發表以題為“Resonant Enhancement of Second Harmonic Generation in Etchless Thin Film Lithium Niobate Hetero-nanostructure”(铌酸锂薄膜（LNOI @NanoLN）異質微納結構諧振增強的二次諧波産生)的研究成果。
研究亮點
鑒于包含基于各向異性層的異質結所構內建連續體束縛态（BIC）光場的靈活調控優勢，在文章中，提出了一種以铌酸锂薄膜為基底的二氧化矽光子晶體（如圖1a-b所示）作為BIC光場的構築結構，其中的各向異性铌酸锂薄膜為異質微納結構提供可色散調控的光與物質的互相作用。其光場也能被有效地局域在具有強二次非線性的铌酸锂薄膜中，進而有效提高非線性光學産生，其異質微納結構的色散關系如圖1c所示。圖1d則表明其光場被有效局域在異質內建微納結構的铌酸锂薄膜中，進而有利于二次諧波的激發。
圖1：a. 基于X-Cut铌酸锂薄膜的異質微納結構示意圖；b. 單個原包結構的示意圖；c. 異質微納結構的理論能帶結構；d. x-y截面的計算場分布圖。
通過優化基于LNOI的異質微納結構的設計并完成該結構的制備，通過角度分辨傳輸光譜實驗測得其色散關系與理論吻合，如圖2a和2b。
圖2：a. LNOI異質微納結構（周期P=395nm，孔徑D=210）的能帶關系和對應的Q值，灰階值代表Q值的大小；b. 通過角度分辨傳輸光譜實驗測得異質微納結構的色散關系。
圖3a和b為LNOI異質微納結構的制備電鏡圖（SEM），而異質微納結構的制備由于不用刻蝕铌酸锂，更相容CMOS制備工藝。而且從圖3c和d中可知，實驗測得其色散關系可找到對應類BIC的諧振峰，在波長為832.3 nm處的諧振峰Q值接近1000。
圖3：a. LNOI異質微納結構的制備電鏡圖（SEM）；b. 結構的放大圖；c和d. 分别為LNOI異質微納結構的傳輸光譜和實驗結果的拟合曲線。
利用如圖4a的實驗測試裝置，可以測量其二次諧波的産生效率和增強效應，通過比較LNOI有無異質微納結構結構的二次諧波強度的對比（如圖4b），可以量化出其二次諧波的增強因子約為1500。其二次諧波轉化效率可以直接從實驗測得的泵浦光功率和二次諧波光功率得到(圖4c)。與此同時，二次諧波産生的偏振相關特性也從實驗結果得到了驗證。
圖4：a. 實驗測試裝置示意圖；b. LNOI有無異質微納結構結構的二次諧波産生的對比；c. 泵浦功率與二次諧波産生功率的對應關系；d. 二次諧波産生的偏振相關特性。
總結與展望
結合各向異性的LNOI異質微納結構可色散調控實作非線性光波産生的效率，這種有效增強光與物質互相作用的機制具有靈活的光場調控性，在顯微成像、非線性光內建、量子光子器件等微納尺度的內建光子學中具有廣泛的潛在應用。
