近日，Optics and Laser Technology 報道了南開大學劉洪亮副教授團隊報道了南開大學劉洪亮副教授團隊獲得的新成果，相關工作“Broadband second harmonic generation from a cladding waveguide fabricated by ultrafast laser ablation in KTN crystal”為題發(fā)表于Optics and Laser Technology (2025, 191, 113349 )，作者展示了一種由飛秒激光在鉭鈮酸鉀晶體中直寫的，可產生寬帶二次諧波的包層波導。這種基于飛秒激光直寫的波導結構為鐵電材料非線性效應的利用提供了強大工具，在相變調控方面具有高度靈活性，且能夠實現(xiàn)寬帶二次諧波產生，制造工藝簡單且設計緊湊。

該工作利用晶萃光學JCOPTIX提供的長距離工作物鏡，將飛秒激光聚焦于鉭鈮酸鉀晶體內部實現(xiàn)了局部順電-鐵電相變并制備了一個可產生寬帶二次諧波的包層波導。

近年來，二次諧波產生 （SHG） 引起了越來越多的研究興趣，并在集成光學中發(fā)揮著重要作用。作為一種典型的二階非線性，SHG 已廣泛應用于糾纏光子源、光振蕩器和光放大器等許多光學器件中。作為這些廣泛應用的關鍵組成部分，制造基于二階非線性的高效、緊湊的倍頻轉換器至關重要。鉭酸鈮酸鉀晶體（KTa_1-xNb_xO₃，KTN）是鉭酸鉀和鈮酸鉀的固溶體，因此屬于弛豫鐵電體。它具有可控的居里溫度，并在相邊界附近表現(xiàn)出明顯的弛豫特性。通過施加適當?shù)耐鈭觯梢詫崿F(xiàn)增強介電效應、壓電效應、二次電光效應和無光學標度傳播等新現(xiàn)象。KTN晶體因其奇妙的特性而備受關注，尤其是其卓越的光學非線性響應。因此，它適合作為襯底，進一步研究其對二階非線性的出色光學響應。

包層波導使用光纖飛秒激光器制備，參數(shù)為重復頻率 25 kHz、脈沖寬度 400 fs、中心波長 1030 nm，晶體被放置在一個六維電動位移臺上。在制造過程中，激光束通過 50 × 顯微鏡物鏡 （JCOPTIX， N.A. = 0.55） 聚焦到晶體內部，激光的單脈沖能量設置為 0.37 μJ，電動位移臺的速度設置為 0.5 mm/s。波導的軌跡根據(jù)設計通過移動晶體直接寫入。在直寫區(qū)域會誘導折射率的輕微降低。最后，具有低折射率且在不同深度處的平行激光刻線形成六邊形包層波導，波導端面的顯微照片如圖 1（a） 的插圖所示。芯層和包層之間的折射率差約為 0.07（±0.01）。KTN 晶體中的局部順電-鐵電相變是通過 FLDW 技術實現(xiàn)的。由于飛秒激光具有較高的峰值功率，因此飛秒激光聚焦的 KTN 晶體內部局部區(qū)域將發(fā)生晶格變形，從而導致順電-鐵電相變。如圖 1（b） 所示，相變的發(fā)生已經通過波導端面的拉曼光譜和二維微拉曼光譜掃描成像得到驗證。晶格結構的改變會導致振動模式的變化，從而導致光譜中拉曼聲子模式的變化。由于常溫高于該 KTN 樣品的居里溫度，因此未處理的塊狀區(qū)域呈現(xiàn)順電相。相應地，波導刻線區(qū)域呈鐵電相。對于弛豫鐵電體，出現(xiàn)在相邊界附近的極化納米區(qū)（PNR）在順電相背景下引入了局域鐵電行為，這已經被以前的研究所驗證。由于相位邊界處的非線性極化率變化很大，因此特別適用于基于二階非線性效應的倍頻。此外，非線性極化率的調控提供了額外的倒格矢，以補償準相位匹配條件下基頻光和倍頻光的波矢之間的差異。

我們通過多種方式測試了波導的倍頻性能。端面耦合系統(tǒng)用于測量輸出 SHG 光場的強度分布。波長為 1030 nm，400 kHz 重復頻率和 300 fs 脈沖寬度的光纖飛秒激光通過顯微鏡物鏡（10 ×，N.A. = 0.25）耦合到波導中，最后通過成像物鏡（50 ×，N.A. = 0.42）在 CCD 相機上成像。使用 1030 nm 半波片來調整飛秒激光的偏振。在成像物鏡后放置截止波長為 750 nm 的低通濾光片，以阻擋 1030 nm 的基頻光（FW）。由于二階非線性極化強度與電場強度的平方成正比，飛秒激光的超短脈沖持續(xù)時間和超高峰值功率可以增強 SHG 現(xiàn)象。根據(jù) CCD 獲得的圖 2（a）和（b），輸出光場在入射光為 TE 和 TM 偏振時均表現(xiàn)出單模特征，證明了這一結構具有偏振無關特性。圖 2（c） 表明 SHG 呈現(xiàn)精確的 515 nm 中心波長和窄線寬，這意味著波導符合準相位匹配條件，能夠進行倍頻。如圖 2（d） 所示，功率計測量到的波導在 20 °C 時的斜效率為 1.5 ‰，而傳輸損耗在 515 nm 處為 10.7 dB/cm，在 1030 nm 處為 7.9 dB/cm。KTN 晶體在 515 nm 處的光損耗接近 50%，在近紅外區(qū)域的透射率接近 80 %。

之后，端面耦合系統(tǒng)中的 1030 nm 飛秒激光被具有 40 MHz 重復頻率和 6 ps 脈沖寬度的超連續(xù)光源替換，以驗證波導的寬帶倍頻能力。圖 3 所示的光譜表明，波導在 1100 nm 至 1600 nm 的寬帶泵浦下，實現(xiàn)了 550 nm 至 750 nm 的寬帶倍頻，帶寬為 200 nm，這意味著在波導的支持下，1100 nm 至 1500 nm 的帶寬為 400 nm的基頻光，可實現(xiàn) 100% 的倍頻。寬帶二次諧波產生主要依賴于具有多波長響應的準相位匹配。實驗結果表明，盡管激光寫入在加工過程中會導致一定的晶格損傷，但飛秒激光寫入晶體引起的晶格膨脹仍然很明顯。最終，這個過程增強了激光寫入刻線周圍的非線性極化率，因此可以滿足不同波長倍頻的準相位匹配條件。

本文報道了一種采用 FLDW 技術制造的六邊形包層波導，在室溫下基于二階非線性在 KTN 晶體中獲得 SHG。由于 KTN 晶體非線性特性的特殊性，通過飛秒激光器實現(xiàn)了局部順電鐵電相變，并通過不同溫度的拉曼光譜進行了驗證。端面耦合結果表明，在 1030 nm 飛秒輸入激光器下，波導在 515 nm SHG 輸出處實現(xiàn)了倍頻性能，且具有無偏振依賴性的單模傳輸特點，斜效率接近 1.5 ‰。值得注意的是，在皮秒超連續(xù)光源的泵浦下，還實現(xiàn)了從 550 nm 到 750 nm 的寬帶 SHG，帶寬為 200 nm。因此，這項工作的設計和加工方法在未來可以應用于片上非線性器件的制造，并顯示出巨大的潛力。

南開大學現(xiàn)代光學研究所2024級博士生艾斯文為本文第一作者，劉洪亮副教授為本文通訊作者。山東大學陳峰教授、賈曰辰教授、張彬助理研究員和博士研究生陳志翔對本文亦有重要貢獻。研究工作得國家自然科學基金項目（12274236，12204274），以及山東省自然科學基金（ZR2024MA041，2022HWYQ047，ZR2022QA033）的支持。

作者特別感謝南京晶萃光學科技有限公司（JCOPTIX）的光學元件支持。