近日，祝世宁院士、李涛教授研究组在铌酸锂薄膜波导研究方面取得的新进展。他们通过设计特殊的超表面光栅，同时实现了面外光场到面内导模的耦合、非线性频率转换以及波束整形的功能。成果以“Second-harmonic generation and manipulation in lithium niobate slab waveguides by grating metasurfaces”为题发表在知名光学刊物《Photonics Research》（Photonics Research 8, 1296-1300 (2020)）。南京大学现代工学院李涛教授为该论文的通讯作者，16级直博生方彬为论文第一作者。

    本工作基于铌酸锂单晶薄膜平波波导，通过引入亚波长光栅超表面设计，将空间传输的基波光有效地转化为导波模式的倍频光，并实现了倍频光波束整形的功能。作者首先设计了具有特定周期的最普通的亚波长光栅结构，在基波光满足特定斜入射角度的条件下，利用亚波长光栅结构提供的倒格矢，实现了基波光和倍频光在波导传播方向上的波矢匹配，从而将光的耦合和非线性频率转换过程合二为一，得到了有效的倍频光的输出（图1和图2）。进一步的，作者通过引入全息设计的理念，在满足非线性相位匹配过程的同时，将所需目标光场的振幅和相位信息编码到特殊的光栅超表面结构中，实现了对倍频导波光波前的灵活调控，在实验上演示了光束的单聚焦、多聚焦以及产生无衍射的艾里光束等功能（图3）。该工作利用亚波长的光栅超构表面，将空间光到导波的耦合、基波到倍频的非线性转换、以及输出波前调控的三个过程合为一，为芯片集成的多功能光学器件的设计和应用提供了新的方案。

图1. 理论设计和仿真。（a）相位匹配过程示意图。（b）FDTD仿真的倍频光场在波导内的演化。（c）FDTD仿真的不同入射角度下倍频光能量积累过程。（d）FDTD仿真的倍频光输出能量与入射角度的关系。

图2. 样品加工和实验表征。（a）不同长度仅实现倍频过程的样品SEM图和波导端面耦出光斑。（b）实验表征光路示意图。（c）实验测量倍频光输出能量和仿真结果对比。（d）实验测量倍频光能量随基波光能量平方线性增长关系。

图3. 倍频导波光波前的灵活调控。（a）（e）（i）普通实现倍频功能；（b）（f）（j）实现倍频光的聚焦功能。（c）（g）（k）实现倍频光双聚焦功能；（d）（h）（l）产生倍频的艾里光束。

    相关研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委、南京大学登峰人才计划等项目的支持。

文章来源于两江科技评论微信公众号。

两江科技评论