铌酸锂是一种多功能型的铁电晶体。近年来，随着微纳加工技术的突破，绝缘体上铌酸锂（LNOI）已逐渐成为集成（非线性）光子学平台的竞争对手和最有前途的候选者。LNOI技术的出现和快速发展使各种片上设备具有前所未有的性能。级联二阶非线性过程可以产生较大的有效克尔非线性，与直接的三阶非线性过程相比，这可以大大降低泵浦功率。故级联二阶过程将为LNOI平台上的非线性动力学注入新的活力，并提供令人兴奋的可能性。

在周期性极化铌酸锂（PPLN）脊型波导中，我们通过实验证明了有效的倍频（SHG）和级联谐波的产生。当用锁模飞秒激光直接泵浦时，可以观察到红绿紫三种颜色，这主要涉及到级联过程。为了研究级联谐波产生的机制，我们在锁模飞秒脉冲激光后放置一个窄带可调谐滤波器（其半高全宽为0.45 nm），以此产生中心波长可调谐的窄带脉冲激光。当中心波长调到QPM波长1556.22 nm时，可以同时观察到有效的倍频（778.11 nm）和四次谐波（389.05 nm）。在该级联过程中，四次谐波是通过倍频和倍频的级联产生的。为了阐明这一机理，我们计算并绘制了有效非线性系数和倍频相位失配曲线。明显发现，波导可以在1556 nm左右实现一阶的QPM倍频，倍频波长为778 nm（点A）。而八阶的QPM倍频过程发生在大约778 nm处（B点），最终导致实验中的级联的四次谐波的产生。此外，我们在泵浦耗尽区测得倍频的最高单通转换效率约为62%，此时输入脉冲功率仅为580μW。当将输入脉冲激光波长调至1556.75 nm时，（该波长虽非QPM波长，但仍处在sinc曲线的包络内），可观察到有效的倍频（778.37 nm）和级联的三次谐波（518.9 nm）。三次谐波是通过倍频和和频的级联过程产生的。为了研究该级联的机制，我们记录了波导中的倍频和三次谐波的光场分布。发现倍频是基模，而三次谐波是高阶模模式。这表明该级联过程可能是这些不同模式之间高阶的QPM过程混合的结果。

上述研究详细分析了脉冲激光在PPLN脊型波导中产生高效倍频和级联谐波的机理。同时，在脉冲光泵浦时实现了高达62%的倍频单通转换效率。这些结果对研究集成非线性频率转换过程具有重要的应用价值。

图1（a）1556 nm飞秒脉冲激光泵浦时的PPLN脊型波导。（b）产生的二至四次级联谐波。

图2 1556.22nm脉冲激光泵浦时PPLN波导中的倍频和级联四次谐波。（a）倍频（778.11 nm）和四次谐波（389.05 nm）的光谱。插图：波导的俯视图。（b）测量的倍频转换效率（红色）和泵浦损耗比（蓝色）与输入脉冲功率的关系，表明输入脉冲功率为580μW时可实现62%的倍频单通转换效率。（c）测量的四次谐波功率与输入功率的关系。（d）计算了PPLN脊型波导的有效非线性系数和倍频相位失配曲线。

该成果发表在“Chuanyi Lu, Hao Li, Jing Qiu, Yuting Zhang, Shijie Liu, Yuanlin Zheng, and Xianfeng Chen, Second and cascaded harmonic generation of pulsed laser in a lithium niobate on insulator ridge waveguide, Optics Express, 30(2), 1381-1387 (2022)”。

原文链接：https://doi.org/10.1364/OE.447958