研究进展

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

2020-07-17   619    

    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。


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。


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。

(来源于两江科技评论,如侵删。)



本文由南京大学-介电体超晶格实验室(http://slab.nju.edu.cn)原创编辑,转发请注明来源及版权归属。
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